課程教師：學(xué)生：學(xué)號(hào)：講課時(shí)間：2015.12.2量子點(diǎn)敏化太陽能電池太陽能電池分類與發(fā)展

講解目錄量子點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)量子點(diǎn)敏化太陽能電池量子點(diǎn)敏化劑的制備方法量子點(diǎn)敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率低的原因結(jié)語量子點(diǎn)敏化太陽能電池效率提高的途徑01

第一代太陽能電池0203一、太陽能電池分類與發(fā)展晶體硅太陽能電池：

單晶硅太陽能電池

多晶硅太陽能電池特點(diǎn)：發(fā)展時(shí)間長，技術(shù)成熟，光電轉(zhuǎn)化效率高，但制作成本高、工藝復(fù)雜生產(chǎn)過程中還存在高能耗和環(huán)境污染問題

第二代太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池：

碲化鎘、砷化鎵、銅銦鎵硒等太陽能電池特點(diǎn)：較第一代太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率較低、成本較低、易于工業(yè)化生產(chǎn)，但某些元素為重金屬元素具有嚴(yán)重的污染性（如鎘），某些原材料為稀有元素，原材料來源受限制

第三代太陽能電池新型薄膜太陽能電池：

染料敏化太陽能電池（DSSC）有機(jī)聚合物太陽能電池特點(diǎn)：工藝簡易、成本低、材料來源廣、可大面積印刷、理論光電轉(zhuǎn)化效率高、前景廣闊一、太陽能電池分類與發(fā)展染料敏化太陽能電池的種類：準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池全固態(tài)染料敏化太陽能電池疊層染料敏化太陽能電池柔性染料敏化太陽能電池單基板染料敏化太陽能電池量子點(diǎn)敏化太陽能電池是指半徑小于或接近于激子玻爾半徑（<10nm），表現(xiàn)出量子效應(yīng)的準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)納米顆粒。從外觀上看，量子點(diǎn)恰似一極小的點(diǎn)狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，即量子局限效應(yīng)(quantumconfinementeffect)特別顯著。1、什么是量子點(diǎn)（QuantumDots,QDs）二、量子點(diǎn)基本知識(shí)將量子點(diǎn)作為敏化劑附著到半導(dǎo)體光陽極上即稱為量子點(diǎn)敏化太陽能電池2、量子點(diǎn)特性可以通過調(diào)控量子點(diǎn)的尺寸改變量子點(diǎn)的帶隙，而拓寬吸光范圍；化學(xué)穩(wěn)定性好合成過程簡單、易制備具有高消光系數(shù)和本征偶極矩，使得量子點(diǎn)太陽能電池的光吸收層可以制備的很薄，便于電子-空穴快速分離，降低成本相對(duì)于半導(dǎo)體材料，量子點(diǎn)引入太陽能電池中使電子給體和受體材料的能級(jí)匹配容易實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率可以吸收一個(gè)高能光子產(chǎn)生多個(gè)電子-空穴對(duì)即多激子效應(yīng)二、量子點(diǎn)基本知識(shí)研究表明，量子點(diǎn)的帶隙寬度與激子玻爾半徑的平方成反比，因此，量子點(diǎn)的吸光范圍可以通過調(diào)控其尺寸來調(diào)節(jié)1、量子點(diǎn)敏化太陽能電池工作原理1、量子點(diǎn)受光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；2、激發(fā)態(tài)的量子點(diǎn)將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中（電子注入速率常數(shù)為kinj）；3、半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子在納米晶格中傳輸?shù)胶蠼佑|面而流入到外電路中；4、氧化態(tài)的電解質(zhì)擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子再生；5、還原態(tài)的電解質(zhì)還原氧化態(tài)的量子點(diǎn)使量子點(diǎn)再生；三、量子點(diǎn)敏化太陽能電池三、量子點(diǎn)敏化太陽能電池量子點(diǎn)敏化太陽能電池與傳統(tǒng)染料敏化太陽能電池的工作原理、電池結(jié)構(gòu)特征和電子轉(zhuǎn)移過程基本相同主要差異在于：以無機(jī)窄禁帶量子點(diǎn)取代傳統(tǒng)的釕染料或有機(jī)染料作為敏化劑，即以量子點(diǎn)敏化的多孔n型半導(dǎo)體納晶（TiO2為主）為光陽極，加上含有氧化還原電對(duì)的電解液（例如S2-/S22-）及具有催化活性的對(duì)電極構(gòu)成。2、量子點(diǎn)敏化太陽能電池的基本機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體光陽極、量子點(diǎn)敏化劑、電解質(zhì)、導(dǎo)電玻璃、對(duì)電極三、量子點(diǎn)敏化太陽能電池量子點(diǎn)敏化太陽能電池的基本機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體光陽極、量子點(diǎn)敏化劑、電解質(zhì)、導(dǎo)電玻璃、對(duì)電極半導(dǎo)體光陽極功能：為電子傳輸提供通路，也是量子點(diǎn)敏化劑附著的載體目前研究較多的光陽極材料是TiO2。其他的寬帶隙半導(dǎo)體如ZnO、SnO2、Nb2O5、CdO、CeO等也是很有潛力的光陽極材料三、量子點(diǎn)敏化太陽能電池量子點(diǎn)敏化太陽能電池的基本機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體光陽極、量子點(diǎn)敏化劑、電解質(zhì)、導(dǎo)電玻璃、對(duì)電極量子點(diǎn)敏化劑量子點(diǎn)通常是ⅡB-ⅥB族和ⅢB-ⅤB族元素組成的化合物，常用的量子點(diǎn)有CdS、CdSe、CdTe、PdS、PdSe、InAs、InP、CuInS2等。為了達(dá)到敏化效果，量子點(diǎn)的帶隙寬度不宜太大，一般在1.1～1.4eV范圍內(nèi)，量子點(diǎn)的價(jià)帶要比電解質(zhì)的氧化還原電勢低，導(dǎo)帶要比光陽極半導(dǎo)體的導(dǎo)帶高功能：量子點(diǎn)敏化劑是QDSSCs吸收光子的關(guān)鍵部分。三、量子點(diǎn)敏化太陽能電池量子點(diǎn)敏化太陽能電池的基本機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體光陽極、量子點(diǎn)敏化劑、電解質(zhì)、導(dǎo)電玻璃、對(duì)電極電解質(zhì)功能：在氧化還原反應(yīng)中，將量子點(diǎn)價(jià)帶上的空穴向外傳遞，以減少空穴密度從而降低激發(fā)態(tài)電子與空穴復(fù)合的概率。因此，電解質(zhì)對(duì)氧化態(tài)量子點(diǎn)的還原速率必須大于量子點(diǎn)本身電子-空穴對(duì)的復(fù)合速率。根據(jù)相態(tài)的不同，QDSSCs中的電解質(zhì)可以分為液態(tài)電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)。目前研究較多的是液態(tài)電解質(zhì)I?/I3?體系、S2?/Sn2?多硫體系等。三、量子點(diǎn)敏化太陽能電池量子點(diǎn)敏化太陽能電池的基本機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體光陽極、量子點(diǎn)敏化劑、電解質(zhì)、導(dǎo)電玻璃、對(duì)電極導(dǎo)電玻璃功能：使光透過并收集來自半導(dǎo)體的電子以傳輸?shù)酵怆娐?。常用的?dǎo)電玻璃有銦摻雜氧化錫（ITO）和氟摻雜氧化錫（FTO），其中ITO的電阻會(huì)隨高溫煅燒而上升，而FTO的電阻基本不變。由于半導(dǎo)體的制備過程中可能需要高溫處理，而通常此時(shí)的半導(dǎo)體是負(fù)載在導(dǎo)電玻璃上。因此，為了減小電阻，增大光電流，一般選擇FTO。三、量子點(diǎn)敏化太陽能電池量子點(diǎn)敏化太陽能電池的基本機(jī)構(gòu)半導(dǎo)體光陽極、量子點(diǎn)敏化劑、電解質(zhì)、導(dǎo)電玻璃、對(duì)電極對(duì)電極功能：將電子傳輸?shù)诫娊赓|(zhì)中以還原其中的氧化還原電對(duì)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)回路。QDSSCs通常以Pt作為對(duì)電極，但Pt與電解質(zhì)界面處的電荷遷移阻力大，易污染且成本高。四、量子點(diǎn)敏化劑的制備方法量子點(diǎn)敏化劑的制備方法主要有原位生長法和非原位生長法兩種。原位生長法：

原位生長法是在光陽極半導(dǎo)體上直接生長并沉積量子點(diǎn)的一種方法，所得量子點(diǎn)尺寸可控，可以均勻而緊密地吸附在半導(dǎo)體光陽極上，且重復(fù)性好、主要包括化學(xué)浴沉淀法（chemicalbathdeposition，CBD）和連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法（successiveioniclayerabsorptionandreaction，SILAR）。CBD是將半導(dǎo)體薄膜在前體混合溶液中放置一段時(shí)間，取出后清洗、干燥，可根據(jù)需要重復(fù)若干次。該方法操作簡單、生產(chǎn)成本低，但量子點(diǎn)中易摻入雜質(zhì)、部分沉淀會(huì)被洗滌溶解SILAR是在氧化物半導(dǎo)體上進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)。將半導(dǎo)體薄膜在陽離子反應(yīng)物溶液中放置一段時(shí)間，取出后用去離子水沖洗以除掉表面多余反應(yīng)物，隨后在陰離子反應(yīng)物溶液中放置一段時(shí)間，形成一定尺寸的量子點(diǎn)，即完成一次沉積循環(huán)，經(jīng)過多次沉積循環(huán)后可形成多層沉積

除此之外，也有將兩種方法綜合運(yùn)用的報(bào)道。圖3為CdS-CdSe共敏化量子點(diǎn)在TiO2介孔薄膜上的原位生長過程。先由SILAR在TiO2介孔薄膜合成CdS量子點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上通過CBD合成CdSe量子點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的電池轉(zhuǎn)換效率為4.62%。四、量子點(diǎn)敏化劑的制備方法量子點(diǎn)敏化劑的制備方法主要有原位生長法和非原位生長法兩種。非原位生長法

非原位生長法是先合成量子點(diǎn)，再將量子點(diǎn)沉積到半導(dǎo)體光陽極上。有直接吸附和連接劑輔助吸附兩種。若合成量子點(diǎn)的溶劑為有機(jī)相，通常量子點(diǎn)會(huì)直接吸附在光陽極上。這是因?yàn)橛袡C(jī)相合成的量子點(diǎn)的表面通常會(huì)被一層長鏈的有機(jī)分子所包覆，比如烷基胺、烷基膦和烷基膦氧化合物等，這些有機(jī)分子可以直接吸附在半導(dǎo)體光陽極上。然而，這些長鏈分子會(huì)使量子點(diǎn)與半導(dǎo)體光陽極之間的電荷轉(zhuǎn)移率降低，而且這種依靠長鏈分子直接吸附也使得量子點(diǎn)覆蓋率降低，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)化效率。四、量子點(diǎn)敏化劑的制備方法量子點(diǎn)敏化劑的制備方法主要有原位生長法和非原位生長法兩種。非原位生長法

非原位生長法是先合成量子點(diǎn)，再將量子點(diǎn)沉積到半導(dǎo)體光陽極上。有直接吸附和連接劑輔助吸附兩種。若合成量子點(diǎn)的溶劑為水相，通常會(huì)采用連接劑輔助吸附法，它通過雙官能團(tuán)短鏈分子連接量子點(diǎn)與半導(dǎo)體。這是因?yàn)樗嗪铣傻牧孔狱c(diǎn)表面通常被水溶性雙官能團(tuán)分子包覆，它們可