摘要：介紹了CdSe量子點敏化太陽能電池的基本原理，并從優(yōu)化量子點敏化太陽能電池的角度，總結(jié)了國內(nèi)外優(yōu)化CdSe量子點敏化太陽能電池的方法。其中，詳細介紹了制作CdSe復(fù)合量子點和制作涂層結(jié)構(gòu)及納米復(fù)合陣列兩種改良方式，以及優(yōu)化后的CdSe量子點及其復(fù)合物對太陽能電池整體性能的影響，對今后開發(fā)新型光催化劑及優(yōu)化量子點敏化太陽能電池有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：太陽能電池;CdSe量子點;半導(dǎo)體

0 引言

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或光化學效應(yīng)，直接將資源豐富、綠色環(huán)保的太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，使用壽命長，目前對太陽能電池的研究越來越多[1]。太陽能電池通常以導(dǎo)電玻璃（ITO或FTO）為基極，用寬禁帶納米級的半導(dǎo)體氧化物，如TiO2、ZnO等作為電極，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。但單一半導(dǎo)體氧化物組成的太陽能電池的綜合性能不好，通常還需加入敏化劑。在各種敏化劑中，量子點敏化劑一般采用可作為良好的光敏劑的窄禁帶半導(dǎo)體納米晶材料，其制備簡單，成本低，相比于有機染料，其消光系數(shù)更高，穩(wěn)定性更好[2]。因此，量子點敏化太陽能電池（QDSSCs）具有較好的發(fā)展前景。

CdSe量子點屬于窄禁帶半導(dǎo)體材料，具有獨特的物理結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出極其優(yōu)異的光電特性。CdSe量子點通過改變納米微粒的尺寸，其熒光光譜能夠從紅光變化到藍光，波長可精確控制，光譜寬度窄且對稱性好;CdSe量子點通過摻雜、表面改性和制作量子點復(fù)合結(jié)構(gòu)等方式，可減少CdSe微粒表面缺陷，改善發(fā)光特性，提高穩(wěn)定性。CdSe量子點在材料科學、生命科學、光電器件等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。近年來的研究表明，窄禁帶的CdSe量子點可以作為較好的量子點敏化劑，它能強烈吸收可見光區(qū)域的光子能量，將光生電荷轉(zhuǎn)移到其他寬禁帶材料中，實現(xiàn)太陽能電池中快速有效的光電轉(zhuǎn)移，使電池的開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）等參數(shù)大大提高[5]。本文主要介紹了CdSe復(fù)合量子點、涂層及納米陣列對CdSe量子點敏化太陽能電池應(yīng)用的影響。

1 CdSe復(fù)合量子點

CdSe作為敏化劑，通常是通過包覆或摻雜等方式制作能協(xié)同互補的復(fù)合量子點來代替單一量子點，敏化效果更好。復(fù)合量子點在單一量子點基礎(chǔ)上，采用包覆方式組成核殼結(jié)構(gòu)，可消除單核量子點的表面缺陷，使有效限域的載流子增多，減少載流子的非輻射躍遷。同時，隨核殼材料性質(zhì)的不同，復(fù)合量子點可表現(xiàn)出不同的功能，有助于提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率及電池壽命。Kim[6]分別使用CdSe和CdSe/CdS作為敏化劑，制作了三元的Zn2SnO4-光陽極-QDs敏化太陽能電池，并用太陽光（AM1.5 G，100 mW/cm2）照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用CdSe單一量子點敏化的太陽能電池和使用CdSe/CdS復(fù)合量子點敏化的太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率分別為0.804%和1.628%，表明復(fù)合量子點的敏化效果更顯著。Brown[7]用C60作為電子受體包裹CdSe量子點，制作了OTE/SnO2/CdSe-nC60/Pt電池，如圖1所示，在AM1.5 G光照下測得：短路電流密度為0.25 mA/cm2，開路電壓為0.3 V，入射光子的能量轉(zhuǎn)化效率為4%，產(chǎn)生的光電流比同等條件下未使用C60的光電流大2～3個數(shù)量級，該結(jié)果表明可通過尋找新型的核殼結(jié)構(gòu)材料來提高量子點敏化效果，從而進一步提高太陽能電池的工作效率。

摻雜是制作復(fù)合量子點的一種有效方法，它能使納米晶組織間隙縮小，表面結(jié)構(gòu)更緊密，減少電荷重組，增大納米晶的表面積，增加捕光、電荷轉(zhuǎn)移和電荷收集的效率，從而提高量子點太陽能電池的光伏性能。Venkata[8]通過在CdSe/CdS量子點中注入Mn2+合成了CdS-Mn-CdSe敏化的太陽能電池，結(jié)果顯示，注入Mn2+使光電轉(zhuǎn)換效率達4.42%，與未摻雜Mn2+的量子點相比提高了22%。摻雜的計量和形式對最終太陽能性能也有影響。Tung[9]將Ag成功摻雜到CdS/CdSe量子點中制作出CdSe-Ag+薄膜敏化太陽能電池，結(jié)果表明，F(xiàn)TO/TiO2/CdSe-Ag+光電陽極的性能隨摻雜薄膜厚度的增加提高了3.96%?？偟膩碚f，采用摻入聚合物來制備混合動力太陽能電池的工藝簡單，電池效率高，近年來發(fā)展迅速。

2 涂層結(jié)構(gòu)及納米復(fù)合陣列

涂層結(jié)構(gòu)是在太陽能電池結(jié)構(gòu)中以量子點作為敏化層，然后添加如ZnS、C60等其他涂層材料，制作出平行的疊加電極。在CdSe敏化太陽能電池中由于涂層的存在，能通過促進電子轉(zhuǎn)移和抑制電子回傳來改善電荷分離，促進電荷重組，從而加強CdSe量子點的敏化性能，改善太陽能電池的性能。此外，增大量子點與電極襯底材料的有效結(jié)合率，是提高光電子遷移率，從而提高太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。通過混合組裝的形式，將襯底材料由單一的納米顆粒、納米棒、納米線等結(jié)構(gòu)，組合成納米復(fù)合陣列，有助于增大電極材料的總表面積，促進CdSe量子點的沉積，抑制電荷的重新組合，為電子的快速傳遞提供更多途徑，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率，已取代單一涂層結(jié)構(gòu)，成為制作電極材料的主要趨勢。Tan等人[10]用四足形貌的CdSe（TPS）改良了ZnO涂層，使ZnO表面的缺陷鈍化，導(dǎo)通其電子的滲透途徑，并減少了陰極和涂層界面中的帶隙補償。改良后的ZnO/CdSe電池轉(zhuǎn)化效率提高到2.91%，短路電流密度為8.03 mA/cm2，填充因子為61.3%。Buatong[11]以FTO玻璃為基層，在多組TiO2納米棒的一維涂層上添加了三維花狀的TiO2組織，如圖2所示，使CdS/CdSe/ZnS復(fù)合量子點在其表面沉積，經(jīng)光電測試，開路電壓為0.692 V、短路電流密度為5.896 mA/cm2，填充因子為66.5%，能量轉(zhuǎn)化效率從0.703%提高到2.715%。

Kim[12]組裝了由Cd/CdSe共同敏化ZnO的納米粒子/納米棒復(fù)合電極，用TiO2納米層包裹ZnO納米棒，使ZnO納米粒子沉積在納米棒空隙內(nèi)，形成多孔結(jié)構(gòu)，為Cd/CdSe量子點的有效沉積提供了更大的表面積，為提高電子傳遞速率奠定了基礎(chǔ)。Zhang[13]在裸露的TiO2納米顆粒上添加了分層球狀的TiO2（TiO2-HS），組成了TiO2-NP/TiO2-HS的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，CdS/CdSe量子點通過連續(xù)離子層吸附和反應(yīng)沉積其中，其電池轉(zhuǎn)換效率達4.50%，比沒有添加TiO2-HS的電池增加了24.7%。Ghoreishi[14]通過在納米ZnO中添加少量還原氧化石墨烯（RGO），使襯底具有更大的比表面積，為加載CdS/CdSe量子點提供更大的區(qū)域，納米ZnO中添加RGO的量子點敏化電極示意圖如圖3所示。石墨烯獨特的片層結(jié)構(gòu)使它具有超高的電子電導(dǎo)率和流動性，電池的光電轉(zhuǎn)換效率比沒有添加RGO的電池提高了近2倍，為進一步提高電子遷移率提供了新的思路。

由此可見，涂層結(jié)構(gòu)及納米復(fù)合陣列能使CdSe量子點的敏化效果大大增強，很好地解決了有機太陽能電池中因電子遷移率低、電荷復(fù)合而電池光降解和光不穩(wěn)定等問題。

3 結(jié)語

本文對目前CdSe量子點在太陽能電池中的應(yīng)用研究進展進行了簡單論述。在CdSe量子點敏化太陽能電池中，通常采用能協(xié)同互補的復(fù)合量子點代替單一的CdSe量子點，其敏化效果更好。另外，涂層結(jié)構(gòu)、納米復(fù)合陣列也能使CdSe量子點在太陽能電池中的敏化性能增強，提高太陽能電池的工作效率、能量轉(zhuǎn)化率，延長電池使用壽命。

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收稿日期：2020-09-01

作者簡介：肖含月（1995—），女，重慶人，碩士研究生，研究方向：高級工程材料、現(xiàn)代制造系統(tǒng)、基礎(chǔ)工業(yè)工程等。