4　CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列薄膜太阳能电池的制备及其性能研究

太阳能被认为是一种取之不尽用之不竭的清洁与可再生能源，人们也越来越重视对太阳能的研究开发与利用。在我国，太阳能热水器已经走进人们的日常生活，这也是太阳能利用的一种方式即将太阳能转换为热能。但是，太阳能最有效的利用方式即转换成电能还远远没有达到像太阳能热水器那样普及的程度。目前，市场上出售的太阳能电池（将太阳能直接转换成电能的器件）大部分都是硅太阳能电池，由于硅的制造成本高昂，导致太阳能电池的单位电价要高于火电和水电。只有降低发电成本才能大规模的推广和利用太阳能电池。因此，人们正在集中力量研究开发新型的廉价、稳定和高效的太阳能电池。

量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）是第三代太阳能电池的一种，由于其具有成本低廉，又有多重激发效应和能带可控的特点使其理论的光电转换效率可以达到66%，正逐渐成为人们研究的热点。硅太阳能电池实际上是一个P-N结的结构，但是量子点敏化太阳能电池没有p-N结，它是由光阳极、电解质和对电极构成的类似“三明治”的结构。光阳极主要是将一层金属氧化物半导体材料覆盖到透明的导电玻璃（FTO玻璃）上制备得到，它主要作用是收集和传递电子。一般地，制备光阳极的金属氧化物半导体材料都具有较宽的能带间隙（如锐钛矿结构的TiO2的能带间隙为3.2eV），这就导致其只能捕获太阳光中能量较高的紫外光，而紫外光只占整个太阳光谱总能量的8%。为了提高光阳极对太阳光的利用效率，就需要将一些具有较窄能带间隙的半导体材料添加到光阳极中，即在金属氧化物半导体材料的表面吸附一层窄禁带的半导体材料。这些具有较窄能带间隙的半导体就是量子点。目前，量子点主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族的元素制备而成的尺寸在2～20nm之间的化合物半导体纳米粒子，如CdS、PbS等。量子点的带隙较窄，所以其能将太阳能电池的吸收光谱拓宽到可见光范围。电解质能够还原被氧化的量子点分子从而促使量子点再生并起到传输电子的作用。对电极的主要作用是收集外电路的电子并还原被氧化的电解质。一般地，对电极为表面涂覆一层铂颗粒薄膜的导电玻璃构成，这是因为铂具有低的电阻率，能抗腐蚀以及具有高的催化活性。但是由于铂价格昂贵，现在人们也在研究开发一些更廉价的材料如碳和导电高分子等。量子点敏化太阳能电池的工作原理如图4-1所示，从图中可以看出，电池的工作过程主要包括七个步骤：

（1）量子点分子吸收那些能量大于其自身带隙的太阳光，价带中的电子受到光激发跃迁到导带上，这个过程可以写为

式中：QD为处于基态的量子点；QD*为激发态的量子点。

（2）激发态的量子点将导带中的电子注入到金属氧化物半导体的导带中，即

式中：QD+为失去电子即被氧化的量子点；e-（CB）为注入到金属氧化物半导体导带中的电子。

（3）电解质还原氧化态的量子点使得量子点再生，即

式中：Red为还原剂；Ox为氧化剂。

（4）金属氧化物半导体导带中的电子与氧化态的量子点发生复合反应，即

（5）金属氧化物将其导带中的电子传递到导电玻璃的导电面上，电子流入到外电路中，即

式中：e-（FTO）为导电玻璃收集到的电子。

（6）金属氧化物半导体导带中的电子与电解质离子发生复合，即

（7）氧化态的电解质与对电极上的电子发生反应，即

对量子点敏化太阳能电池而言，量子点激发态的寿命越长，越有利于其将电子注入到金属氧化物半导体中，如果激发态的寿命很短，量子点有可能发生非辐射衰减而跃迁回基态。激发态的量子点中的电子要尽可能快地将电子注入到金属氧化物半导体中，避免发生复合，这就要求量子点的导带位置要高于金属氧化物半导体的导带位置，且他们之间的接触良好。电子注入到金属氧化物半导体中后，它可能与氧化态的量子点发生空穴复合［见式（4-4）］，也可能与电解质发生复合［见式（4-6）］。另外，这些电子也可能与金属氧化物半导体自身的缺陷发生复合。所以，金属氧化物半导体要具有高的电子迁移率，从而可以迅速地将电子传输到导电玻璃和外电路中。总之，只有尽可能多地抑制电子与空穴的复合反应，才能提高电池的效率。

太阳能电池性能表征的最直接、最有效的方法就是测定电池的输出光电流密度—光电压曲线即J—V曲线，如图4-2所示。从图中可以得到表征太阳能电池性能的主要参数：能量转换效率（Power Conversation Efficiency，PCE）、开路光电压（Open-Circuit Voltage，VOC）、短路光电流密度（Short-Circuit Photocurrent Density，JSC）和填充因子（Fill Factor，FF）。

开路光电压是指当外电路处于开路（即将电池的正极和负极断开）时测得的光电压。量子点敏化太阳能电池中的开路光电压为

式中：Ec为金属氧化物半导体的导带底的位置；Eredox为电解质的费米（Fermi）能级位置；k为波尔兹曼（Boltzmann）常数；T为绝对温度；q为单位电荷量；nc为注入到半导体导带中的电子数；NCB为半导体导带的态密度（7×101620cm-3）。由于在金属氧化物半导体的表面吸附了一层量子点分子导致其导带位置发生改变，Ec的偏移量可以写为式中：V为量子点分子的表面浓度；μnormal为量子点分子与金属氧化物半导体之间的偶极距的垂直分量；ε0为真空绝对介电常数；ε为量子点分子的相对介电常数。

从式（4-8）和式（4-9）可以看出，开路光电压与μnormal和nc有很大关系，量子点分子注入到金属氧化物半导体导带中的电子越多，开路光电压越大。

短路光电流是在外电路处于短路（即将电池的正极和负极直接连接）时测得的光电流，单位受光面积的短路光电流就是短路光电流密度。短路光电流密度可以写为

式中：LHE（λ）为电池对给定波长λ的光子捕获效率；Φinject为量子点的电子的注入效率；ηcollect为电荷的收集效率。

对于给定的量子点而言，ηcollect是常数，所以，短路光电流密度Jsc只和LHE（λ）与Φinject有关。

填充因子FF是指太阳能电池的最大输出功率与短路光电流和开路光电压乘积的比值，它是评价太阳能电池品质的一个重要参数。填充因子越高，太阳能电池的输出功率越大，电池的能量转换效率就越高。填充因子和电池的串联电阻和并联电阻有关，串联电阻越小，并联电阻越大，其值就越大。填充因子可以用公式表示为

式中：Jopt和Uopt分别为电池最大输出功率对应的短路光电流密度和开路光电压。

能量转换效率PCE是指电池的最大输出功率与输入光功率的比值。它是电池性能最重要的一个参数。用公式表示为