納米復(fù)合材料在太陽(yáng)能電池中的研究進(jìn)展

韓宇豪 司薇 趙瑛祁

摘 要：第三代太陽(yáng)能電池，即新型薄膜電池是太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了納米復(fù)合材料在染料敏化太陽(yáng)能電池、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池和無(wú)機(jī)-有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池三種新型薄膜電池制造中的研究進(jìn)展，最后探討了目前存在的問(wèn)題以及今后的研究方向。

關(guān)鍵詞：納米復(fù)合材料;第三代太陽(yáng)能電池;研究進(jìn)展

近年來(lái)，傳統(tǒng)能源日益枯竭，環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題也日益嚴(yán)重。因此人們的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了清潔環(huán)保的可再生能源。太陽(yáng)能資源最豐富、清潔綠色、分布廣泛，地域限制不明顯，是很有潛力的可再生能源。如能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能、電能、化學(xué)能和生物質(zhì)，就可解決傳統(tǒng)能源緊缺、環(huán)境污染等問(wèn)題。眾多研究人員對(duì)光電轉(zhuǎn)化，即研制太陽(yáng)能電池做出了巨大努力，并取得了可喜的成果。如今，太陽(yáng)能電池的研究經(jīng)歷了第一代——硅基半導(dǎo)體電池、第二代——多元化合物薄膜電池，發(fā)展到了第三代——新型薄膜電池，這種新型電池引入了有機(jī)物和納米技術(shù)。與常規(guī)材料有著不同特性的納米材料與擁有“協(xié)同效應(yīng)”的復(fù)合材料相結(jié)合，使得納米復(fù)合材料得到了重點(diǎn)關(guān)注。本文介紹了研究較多的納米復(fù)合材料在第三代太陽(yáng)能電池中的研究進(jìn)展，并探討了目前存在的問(wèn)題及今后研究的方向。

1 染料敏化太陽(yáng)能電池

上世紀(jì)90年代瑞士科學(xué)家首次提出了一種新型太陽(yáng)能電池，以染料吸收光并給出電荷，納米半導(dǎo)體多孔膜支撐染料、接受電荷并傳導(dǎo)電荷，這就是染料敏化太陽(yáng)能電池（DSC）。這種電池具有原料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并且所使用的原料和生產(chǎn)工藝無(wú)毒、無(wú)污染，部分材料可以充分回收，因此得到了研究者的重視。

這種電池主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對(duì)電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。受太陽(yáng)光照射后，染料分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài);處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中;電子運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)電玻璃基底，之后進(jìn)入外電路。同時(shí)，電池內(nèi)部發(fā)生的是氧化態(tài)的染料的還原再生反應(yīng)和電解質(zhì)的氧化還原反應(yīng)，之后染料可以繼續(xù)進(jìn)行光生電子的產(chǎn)生和循環(huán)。

納米多孔半導(dǎo)體薄膜多用TiO2、SnO2和ZnO等材料制作，其中最常見(jiàn)的是納米TiO2。然而TiO2本身禁帶寬，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)極易復(fù)合、壽命短，光響應(yīng)范圍較窄，因此為改善TiO2的光電化學(xué)性能，許多研究者開(kāi)始探索采用納米復(fù)合材料制作多孔薄膜的可能性。有研究者應(yīng)用溶膠-凝膠法制備了多壁碳納米管基TiO2和TiO2-xNx納米復(fù)合材料。試驗(yàn)證明多壁碳納米管的應(yīng)用有利于光生電荷的分離和傳輸，能使光生電子的收集效率提高20%。也有人利用靜電紡絲技術(shù)紡制了Au/ TiO2納米復(fù)合纖維、PVP/無(wú)定型TiO2納米復(fù)合纖維，以及PMMA/ TiO2納米復(fù)合纖維等材料，這些材料經(jīng)處理后得到的多孔結(jié)構(gòu)可用于DSC，穩(wěn)定性較高。石墨烯量子點(diǎn)與TiO2的復(fù)合膜也可用于DSC。與純TiO2膜相比，石墨烯/ TiO2納米復(fù)合膜可以增大DSC的能量轉(zhuǎn)換效率。有些研究者另辟蹊徑，將卟吩染料分子和納米TiO2通過(guò)靜電自組裝法層層組裝到導(dǎo)電玻璃上，形成了有機(jī)染料/ TiO2納米復(fù)合膜。這種層層組裝的形式使該納米復(fù)合膜在紫外和可見(jiàn)光區(qū)域都出現(xiàn)了光電化學(xué)響應(yīng)。

2 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池

無(wú)機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池（QDSC）與DSC的工作原理、電池結(jié)構(gòu)特征和電子轉(zhuǎn)移過(guò)程基本相同，主要差異在于以無(wú)機(jī)窄禁帶量子點(diǎn)取代傳統(tǒng)的染料或有機(jī)染料作為敏化劑。太陽(yáng)光照射量子點(diǎn)時(shí)，量子點(diǎn)的電子-空穴對(duì)發(fā)生分離，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶并注入半導(dǎo)體納米晶層（多為TiO2）的導(dǎo)帶中，通過(guò)半導(dǎo)體多孔膜擴(kuò)散到導(dǎo)電玻璃，進(jìn)入外電路。留在價(jià)帶的空穴被氧化還原電對(duì)的電子還原。量子點(diǎn)有很多優(yōu)點(diǎn)，如吸光范圍大、化學(xué)穩(wěn)定性好、合成過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、吸光層可制備得極薄、更易實(shí)現(xiàn)電子給體和受體材料的能級(jí)匹配等。

常用的量子點(diǎn)敏化劑主要有CdSe、CdS、CdTe、InP、InAs、PbS和PbSe等。其中CdSe與TiO2的能級(jí)非常匹配，是研究的最多的一類量子點(diǎn)敏化電池。有研究者利用光輔助的電沉積法制備了CdSe/ TiO2納米管陣列，并將其制成了QDSC。該電池能兼顧電子注入效率和吸收光譜范圍，增強(qiáng)光電響應(yīng)信號(hào)。除了TiO2外，ZnO也是一種常用于QDSC的多孔n型半導(dǎo)體納米材料。有課題組將CdSe納米顆粒偶聯(lián)到ZnO納米線上，成功地制造了QDSC。

3 無(wú)機(jī)-有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池

DSC和QDSC中均用到易揮發(fā)且有腐蝕性的業(yè)態(tài)電解液，因此在電池的封裝和電解液泄露方面存在問(wèn)題。無(wú)機(jī)-有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池（HSC）可以很好地解決這些問(wèn)題。HSC是一種固態(tài)太陽(yáng)能電池，異質(zhì)結(jié)中作為電子給體的共軛聚合物可以均勻地注入具有規(guī)則形貌的電子受體無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中，可以極大地提高電子在給受體間的轉(zhuǎn)移效率。HSC以納米無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料作為光敏劑，常用的有CdSe、CdS等;常用的有機(jī)物有P3HT、PCBM等。HSC可采用低成本、簡(jiǎn)單的制作工藝，易于大規(guī)模生產(chǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率目前已經(jīng)成超過(guò)15%，是一種很有潛力的太陽(yáng)能電池。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)納米復(fù)合材料在太陽(yáng)能電池制造中的應(yīng)用進(jìn)行了許多研究，并取得了巨大的成績(jī)。但研究成果還處于實(shí)驗(yàn)室摸索和理論探究階段。今后仍然需要繼續(xù)開(kāi)發(fā)高效的、低成本、環(huán)境友好的敏化劑，拓寬電池的光譜吸收響應(yīng)范圍，繼續(xù)開(kāi)發(fā)新方法、新材料，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)也應(yīng)對(duì)新型太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化研究投入更多。

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