CdSe量子點及其復合物在太陽能電池中的應用進展研究

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

關鍵詞：太陽能電池;CdSe量子點;半導體

0 引言

太陽能電池是通過光電效應或光化學效應，直接將資源豐富、綠色環保的太陽能轉化為電能的裝置，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電玻璃（ITO或FTO）為基極，用寬禁帶納米級的半導體氧化物，如TiO2、ZnO等作為電極，將太陽能轉換為電能。但單一半導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，其消光系數更高，穩定性更好[2]。因此，量子點敏化太陽能電池（QDSSCs）具有較好的發展前景。

CdSe量子點屬于窄禁帶半導體材料，具有獨特的物理結構，展現出極其優異的光電特性。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合結構等方式，可減少CdSe微粒表面缺陷，改善發光特性，提高穩定性。CdSe量子點在材料科學、生命科學、光電器件等領域中得到了廣泛應用[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域的光子能量，將光生電荷轉移到其他寬禁帶材料中，實現太陽能電池中快速有效的光電轉移，使電池的開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF）等參數大大提高[5]。本文主要介紹了CdSe復合量子點、涂層及納米陣列對CdSe量子點敏化太陽能電池應用的影響。

1 CdSe復合量子點

CdSe作為敏化劑，通常是通過包覆或摻雜等方式制作能協同互補的復合量子點來代替單一量子點，敏化效果更好。復合量子點在單一量子點基礎上，采用包覆方式組成核殼結構，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，隨核殼材料性質的不同，復合量子點可表現出不同的功能，有助于提高太陽能電池的能量轉化效率及電池壽命。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，結果發現，使用CdSe單一量子點敏化的太陽能電池和使用CdSe/CdS復合量子點敏化的太陽能電池，其能量轉換效率分別為0.804%和1.628%，表明復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，入射光子的能量轉化效率為4%，產生的光電流比同等條件下未使用C60的光電流大2～3個數量級，該結果表明可通過尋找新型的核殼結構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，表面結構更緊密，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，結果顯示，注入Mn2+使光電轉換效率達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，結果表明，FTO/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%。總的來說，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，近年來發展迅速。

2 涂層結構及納米復合陣列

涂層結構是在太陽能電池結構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合率，是提高光電子遷移率，從而提高太陽能電池轉化效率的關鍵。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、納米線等結構，組合成納米復合陣列，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，從而提高光電轉換效率，已取代單一涂層結構，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復合量子點在其表面沉積，經光電測試，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，形成多孔結構，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。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的雙層復合結構，CdS/CdSe量子點通過連續離子層吸附和反應沉積其中，其電池轉換效率達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構使它具有超高的電子電導率和流動性，電池的光電轉換效率比沒有添加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，涂層結構及納米復合陣列能使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、電荷復合而電池光降解和光不穩定等問題。

3 結語

本文對目前CdSe量子點在太陽能電池中的應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，通常采用能協同互補的復合量子點代替單一的CdSe量子點，其敏化效果更好。另外，涂層結構、納米復合陣列也能使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、現代制造系統、基礎工業工程等。