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1、量子点敏化太阳能电池研究进展,报告人：张宁宁,主要内容,一、太阳能电池的发展历程 二、量子点敏化太阳能电池的结构和工作原 理 三、常用量子点敏化剂的分类 四、量子点敏化剂及其附着的一维纳米阵列 的结构 五、结语,一、太阳能电池的发展历程,第一代单晶硅或多晶硅太阳能电池 第二代化合物半导体太阳能电池 有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池等 第三代量子点敏化太阳能电池,二、量子点敏化太阳能电池的结构和工作原理,1、结构 光阳极 ：在导电衬底材料上制备一层多孔半导体薄膜 并吸附一层光敏化剂 电解质 光阴极：在导电衬底上制备一层含铂或碳等的催化材料电解质和光阴极组成的 “三明治” 结构电池 光阳极

2、主要是在导电衬,二、量子点敏化太阳能电池的结构和工作原理,2、工作原理,图量子点敏化太阳能电池工作原理 ,三、常用量子点敏化剂的种类,量子点敏化剂的突出特点是能级随量子大小而变化和多重激子效应。根据化学组成的不同分为 1、CdX（XSe，S, Te）型量子点敏化剂 2、PbX（ XSe，Te，S） 型量子点敏化剂,1、CdX（XSe， S， Te）型量子点敏化剂,1) CdSe 特性：CdSe和TiO2的能级非常匹配，具有较大的激子Bohr半径和很强的量子限域效应。 进展：Kamat课题组利用双功能配体 将不同粒径的CdSe与TiO2纳米颗粒偶联组装成薄膜太阳能电池， 发现可以通过改变CdSe

3、的粒径来调控这类电池的光化学响应和光电转换效率。,2) CdS 特性：CdS是一种宽带隙半导体材料，室温下它的禁带宽度为2.42ev，具有优良的光电性能，而且CdS的光吸收系数高。 进展：a.彭练矛课题组发现CdS和CdSe单独敏化TiO2时 效率都不是很高， 因此采用层层复合的方式， 将两种量子点的优点结合起来 可提高电池的转换效率 。 b.Lee等 以CdS和CdSe共敏化的方法组装电池 得到的量子点敏化电池效率为4.22%。,3)CdTe,特性：CdTe量子点敏化太阳能电池结构简单 容易实现规模化生产成本低廉 。 进展：Lan 等在掺氟的 SnO2导电玻璃衬底上先沉积一层TiO2纳米粒子

4、 然后在电极上沉积不同粒径的CdSe,得到较高的电池转化效率。,2、PbX（ XSe，Te，S）性量子敏化剂,特性：Pb类量子点同样具有明显的多重激子效应。 进展：a.Lee等 将PbS和CdS纳米粒子负载到多孔TiO2电极上 制作固态电池 其光电转换效率约为1%。 b.Leventis等 研究了金属氧化物 PbS有机空穴传输材料的电子产生 分离的影响因素 。当加入Li盐时 , SnO2的导带进一步降低,提高了电子的分离效率。,四、量子点敏化剂及其附着的一维纳米阵列的结构,1、量子点敏化剂的光学性质有很强的尺寸依赖性 ，制备的敏化剂粒径呈梯度分布 则可充分发挥量子点敏化剂的宽吸收特性。 进展：

5、 等利用光辅助的电沉积方法制备了 “桑葚 ”状的；。“桑葚”状的纳米簇兼顾电子注入效率和吸收光谱范围，光电响应信号大大增强,2、宽带隙半导体的形态是另外一个制约量子点敏化太阳能电池性能的因素。将量子点和垂直生长在导电衬底上的一维纳米线或纳米管阵列相结合 则能有效量子点敏化太阳能电池效率 。 进展：a.Levschkies等和Tang 等以生长在SnO2衬底上的ZnO纳米线阵列为电极； b.Kamat课题组, 采用TiO2纳米管作为电子传输的半导体,充分发挥量子点敏化剂吸 的收范围广和多激子效应的优势。,五、结语,特性：量子点敏化太阳能电池具有吸收广、多激子和稳定的优势。 工作重点：制备核壳型量

6、子点；制作无机、有机杂化的双敏化太阳能电池；固态量子点敏化太阳能电池。 展望：在不远的将来这类电池的效率能够大幅度提高，进入真正的光伏时代。,半导体量子点敏化太阳能电池的最新进展,主要内容,一、量子点敏化电极的制备 二、研究现状 三、存在的问题与展望 四、结语,一、量子点敏化电极的制备,量子点敏化电极的制备可分为两步： 第一步是制备纳米TiO2电极，例如水热法、溶胶凝胶法和阳极氧化法等； 第二步是在TiO2上修饰半导体量子点，自组装单层法、化学浴法、原位光沉积法、电化学沉积法和化学（物理）气 相沉积法等,1.自组装单层法（SAM法）,方法：将已经制备好的CdS量子点通过双功能分子嫁接到TiO2

7、表面 优点：能够控制QD的尺寸 缺点：不易完全覆盖TiO2整个表面,2.化学浴法（CBD法）或依次离子层吸附和反应法（SILAR法）,方法：在正常或水热条件下进行量子点沉积，即将TiO2电极放入溶解有阳离子和阴离子的溶液中处理，或交替放入两种单独包含阳离子和阴离子的溶液中处理，以得到CdS量子点。 优点：获得较高太阳光转化效率的CdS和PbS量子点敏化电池。 缺点：很难得到较高效率的CdSe和CdTe敏化电池.,3.原位光沉积法,方法：将TiO2电极置入含有S8和Cd(ClO4)2 的乙醇溶液中，然后紫外光辐照溶液使之发生化学反应以在电极表面沉积CdSQD 优点:1.保障可见光诱导的界面处的电

8、子转移； 2.大量的CdSQD在较短时间内负载于TiO2介孔膜表面； 3.CdSQD不仅在膜表面沉积，而且在膜的内形成，不易产生堵塞； 4.CdSQD的带隙能量通过改变辐照时间调节。,二、研究现状,由于CdS ， CdSe ， CdTe ，In P ， PbS ，PbSe和Cu2O等半导体的吸收带边（禁带宽度）均对应于可见光波段，因此广泛地应用于太阳电池。,1.CdS,特性：CdS为直接带隙半导体，其禁带宽度为2.5ev，对应太阳光谱的最佳响应波段。当半导体的尺度进入量子尺度时，量子限制效应使其禁带加宽。因此，可以通过改变量子点的尺寸来调节其带隙。,进展 a.台湾成功大学的S.C.Lin等人综

9、合了两种方法的优点开发出一种新的敏化方法，取得了大约1.35%的太阳能转换效率。 b. Y.L.Lee等人开发出另一种S2-/S2-电解液，它不会与量子点作用，从而使电池性能具有较高的稳定性。,c. W.Jang等人报道了一种采用液态CO2作为溶剂修饰CdS量子点的SILAR方法，液态CO2溶解在其中的CdS量子点在多孔膜中更快扩散，并更好地穿透多孔膜均匀覆盖于TiO2电极的表面。 d.中国科学院物理研究所的T.Takahashi等人发现，对使用S2-/S2-电解液的QSSC，在相同条件下，采用碳膜代替Pt作为对电极，使电池效率由0.17%提高至1.47。,2. CdSe,特性: 与CdS类似

10、， CdSe也是一种直接带隙的半导体材料。其禁带宽度为1.7ev，相比前者更接近太阳光谱的最佳响应波段。 CdSe敏化电极的制备方法与CdS电极基本相同主要也是SAM法和CBD法。,进展: a. H.J.Lee等人采用SAM法制备CdSeQD敏化的TiO2介孔膜光阳极，获得了1.17% 的光电转换效率。 b. Q.Shen等采用TiO2纳米管阵列作为工作电极（阳极）、Cu2S薄膜作为对电极制备出CdSe QD敏化太阳电池，获得了高达1.8%的光电转换效率。 c.J.kO等人则采用SILAR法制备出CdSeQD敏化TiO2薄膜电极，并通过后续退火、修饰ZnS层等方法使电池效率达到3.21%。,3

11、.PbS,特性：a. PbS作为一种重要的窄禁带半导体，通过改变其晶粒尺寸，它的带隙能够在0.41.5ev连续调节； b.本征PbS是一种自补偿的p型半导体，它能直接与TiO2或ZnO薄膜构成异质p-n结太阳电池由于本征PbS是一种自补偿的型半导体，它能直接与TiO2或ZnO薄膜构成异质p-n结太阳电池。,不足:电池的效率很少能够突破5% 改善的方法：对电极进行退火 沉积ZnSQD层以钝化电极 共同敏化技术,三、存在的问题与展望,问题：半导体量子点染料敏化太阳电池效率很少能够突破 提高性能的方法： 对电极进行退火 沉积ZnS量子点层以钝 化电极 共同敏化技术,展望： a. J.Y.Wang等人报道了将敏化好的电极放入TiCl4溶液处理一段时间，然后在400oC下退火，得到了高达1.87%的太阳能转换效率。 b. Y.L.Lee等人制备出基于C