CdTe/CdS共敏化TiO2電極材料的制備與光電性能

汪 婕 計(jì)亞軍 鄧亞磊 周路巍

（上海理工大學(xué)理學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益突出,太陽(yáng)能作為一種成本低、環(huán)境友好和可再生的替代能源,越來(lái)越受到研究者的廣泛關(guān)注[1]。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能充分高效的轉(zhuǎn)化利用是目前研究的熱點(diǎn)之一。近年來(lái),量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池憑借制備工藝簡(jiǎn)單、材料成本較低以及轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)引起人們濃厚的研究興趣[2]。量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池[3]作為第三代太陽(yáng)能電池,是由有機(jī)染料敏化太陽(yáng)能電池[4-5]衍生而來(lái),兩者的區(qū)別在于前者將染料替換成同樣有光響應(yīng)的量子點(diǎn)材料。與有機(jī)染料相比,納米晶量子點(diǎn)（QD）材料具有以下突出特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[6]：（1）光譜吸收范圍更廣,可以通過(guò)調(diào)節(jié)其尺寸大小實(shí)現(xiàn)對(duì)其帶隙的調(diào)節(jié)從而滿足不同要求；（2）更大的消光系數(shù)和光化學(xué)穩(wěn)定性；（3）大的固有偶極矩,利于激發(fā)態(tài)電子-空穴的分離；（4）成本低,毒性小[7]。

目前制備量子點(diǎn)敏化電極材料的方法主要有2種：（1）原位生長(zhǎng)法[8],其主要包括化學(xué)浴沉積法和連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法；（2）自組裝法[9],該方法采取的策略是將量子點(diǎn)預(yù)先合成,再組裝到電極上。后一種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)控制合成量子點(diǎn)的時(shí)間,可控合成具有不同粒徑大小的量子點(diǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)材料對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收。將制備得到的量子點(diǎn)材料引入到電極中去,通常采用連續(xù)原子層吸附和化學(xué)浴沉積[10]的方法。以上2種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本低廉和便于大規(guī)模制備,但是卻存在制備周期長(zhǎng)和表面覆蓋率低的缺點(diǎn),這導(dǎo)致所得材料的光電轉(zhuǎn)換效率并不理想。而最近出現(xiàn)的電化學(xué)沉積法[11]憑借操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉和耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)可以很好地解決當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。并且通過(guò)該方法不但能制備出具有更大表面覆蓋率的量子點(diǎn)膜層,而且能夠通過(guò)改變沉積的電壓和電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)沉積量的調(diào)控。

如果說(shuō)敏化過(guò)程是制備量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵步驟,那么敏化劑的選擇則是影響光電性能的重要因素。目前,量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中使用的量子點(diǎn)敏化劑主要是Ⅱ-Ⅵ族窄帶隙半導(dǎo)體,例如CdS[12]、CdSe[13]、CdTe[14]、PbS[15]、PbSe[16]、ZnSe[17]等 ,而 以 單 層形式引入到量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中的敏化劑有CdS、CdSe、CdTe等,這其中具有典型代表性的量子點(diǎn)敏化劑是CdS。CdS量子點(diǎn)可以通過(guò)電沉積、水熱合成和連續(xù)離子層吸附等方法[18]引入到電極上,由于其制備方法簡(jiǎn)單,CdS量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池中被廣泛地研究。例如,Zuo等[19]通過(guò)水熱合成的方法一步將CdS敏化到TiO2納米線上,所得材料的最大電流密度、電壓和光電轉(zhuǎn)換效率分別為0.61 mA·cm-2、0.65 V和0.2%。盡管水熱合成的方法比較簡(jiǎn)單,但是不易實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)負(fù)載量的有效控制,且制備得到的膜層厚度并不十分均勻。之后，SUI等[20]采用SILAR法,即通過(guò)多次蘸取的方式將CdS敏化到TiO2納米管上,所得材料的最大電流密度、開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率分別可以達(dá)到4.85 mA·cm-2、0.48 V和0.34%。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)控制蘸取的次數(shù)來(lái)控制量子點(diǎn)敏化的量,但是操作過(guò)程比較繁瑣,且量子點(diǎn)在基底上分布不均勻。為了解決以上存在的問(wèn)題,有人提出采用電沉積的方法將CdS引入到電極上。例如,Shao等[12]通過(guò)電化學(xué)沉積法制備的CdS/TiO2電極的電流密度可以達(dá)到0.89 mA·cm-2,其開路電壓為1.14 V。研究證實(shí)電化學(xué)沉積法能夠通過(guò)控制電量實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)沉積量的控制,另外通過(guò)該方法還能實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)在電極上的均勻覆蓋,這將進(jìn)一步提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率。同樣的,由于CdTe量子點(diǎn)具有良好的光學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換性能、高光學(xué)吸收系數(shù)以及與太陽(yáng)光譜十分匹配的能帶寬度（1.45 eV）[21],所以在近幾年CdTe量子點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)之一。其制備方法主要有水熱法和電沉積法[22]等。最近,Al-Haddad等[23]采用電沉積的方法將CdTe引入到電極上,可以把電流密度和開路電壓分別提高到1.1 mA·cm-2和1 V,相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)14.5%。

盡管目前圍繞單層量子點(diǎn)敏化電極的制備已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,但隨著研究的深入,如何進(jìn)一步擴(kuò)大敏化電極的光響應(yīng)范圍以及提高光電的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。目前可行的方案之一就是實(shí)現(xiàn)敏化電極制備由單層逐漸向多層方向發(fā)展[24]。當(dāng)前在多層量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中主要采用CdS/CdSe[25]、CdTe/CdS[26]等形式對(duì)電極進(jìn)行共敏化。例如,Rao等[24]采用電沉積方法依次將CdSe和CdS敏化到電極上,可以將材料的電流密度提高到17.98 mA·cm-2,并且效率能夠達(dá)到4.2%。Waleed[11]又以CdTe替換CdSe,制備出CdTe/CdS共敏化TiO2電極,所得材料的電流密度高達(dá)20 mA·cm-2,光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到8%。盡管如此,該實(shí)驗(yàn)需要在酸性條件下,并且在85℃才能將CdTe敏化到電極上,反應(yīng)條件比較苛刻,不易于廣泛推廣和應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比可以看出,多層量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池在短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率等方面都具有更高的數(shù)值,表現(xiàn)出更好的優(yōu)越性[27]。盡管圍繞CdTe和CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[28],但在更高效率、低成本以及大批量制備方面還有待進(jìn)一步探究。據(jù)此,本實(shí)驗(yàn)以TiO2納米管陣列為基底,采用電沉積和化學(xué)浴沉積相結(jié)合的方法,成功地將CdTe和CdS量子點(diǎn)材料引入到電極上,并且可以通過(guò)調(diào)控電沉積的時(shí)間,對(duì)復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極的最優(yōu)制備工藝進(jìn)行深入探索,以期進(jìn)一步提升復(fù)合量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 二氧化鈦納米管電極制備

在兩電極體系中,分別以Ti片（純度＞99%,30×10 mm）和Pt片作為陽(yáng)極和陰極,利用陽(yáng)極氧化法,在電壓為 40 V條件下,以 0.5%（w/w）的 NH4F/（CH2OH）2為電解液,反應(yīng)7 h制備得到二氧化鈦納米管電極。之后將上述制備的電極在450℃下高溫煅燒2 h得到具有銳鈦礦相的二氧化鈦納米管陣列材料。

1.2 CdTe量子點(diǎn)制備

將 0.048 g的 Te粉 （0.2 mmol）和 0.05 g的NaBH4（1.35 mmol）依次加入到 1.5 mL 的去離子水中反應(yīng)得到前驅(qū)物NaHTe。然后在三頸燒瓶中加入0.057 g 的 CdCl2·2.5H2O（0.25 mmol）和 200 mL 的去離子水,待CdCl2·2.5H2O溶解后,逐滴加入34 μL的巰基丙酸,并用2.5 mol·L-1的NaOH溶液將上述溶液的pH值調(diào)節(jié)至10左右。待溶液沸騰后快速注入新制備的NaHTe前驅(qū)物。通過(guò)控制回流的時(shí)間,制備得到吸光度在550 nm左右的CdTe量子點(diǎn)。

1.3 CdTe和CdS復(fù)合量子點(diǎn)的制備

以二氧化鈦納米管為工作電極,Pt片為對(duì)電極,并將1.2中制備的CdTe量子點(diǎn)溶液作為反應(yīng)溶液,采用兩電極體系,在沉積電壓為-2.5 V的條件下,將CdTe量子點(diǎn)沉積到二氧化鈦納米管電極上,后用去離子水沖洗2～3遍,隨后進(jìn)行CdS量子點(diǎn)的敏化。

先在50 mL的燒杯中加入20 mL的去離子水,再加入3.5 g KOH,然后分別超聲溶解4 g檸檬酸鈉和0.228 g CdCl2·2.5H2O。調(diào)節(jié)以上溶液pH值為12,加入0.076 g的硫脲,此時(shí)溶液澄清。在45℃條件下,將沉積有CdTe量子點(diǎn)的二氧化鈦納米管電極放入CdS量子點(diǎn)溶液中分別反應(yīng)20、40和60 min,然后用去離子水清洗2～3遍。最后在350℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下,煅燒2 h。將20、40和60 min反應(yīng)條件下所得到的樣品分別用S1、S2和S3表示。

1.4 實(shí)驗(yàn)表征

分別采用紫外分光光度計(jì)（UV-3900）和熒光分光光度計(jì)（F7000）對(duì)所得CdTe量子點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜進(jìn)行測(cè)試 （測(cè)試波長(zhǎng)范圍在200～800 nm）;使用 X 射線衍射儀（XRD，D/MAX2200,Cu 靶（λ=0.154 059 nm）,U=30 kV,I=30 mA,掃描范圍在10°～90°對(duì)樣品的晶型進(jìn)行分析；利用掃描電鏡 （SEM,HitachiS4800）對(duì)樣品的形貌進(jìn)行表征（20 kV）；利用附帶的能譜儀（EDS-TecnaiG2F30）對(duì)樣品的元素成分進(jìn)行分析；采用太陽(yáng)光模擬器（XD-300氙燈光源）和電化學(xué)工作站（CHI604E）聯(lián)用的方式對(duì)組裝得到的復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極的光電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

圖1是在水相條件下制備的CdTe量子點(diǎn)的紫外-可見吸收與熒光光譜圖。從圖中可以看出,樣品的吸收峰主要出現(xiàn)在波長(zhǎng)為550 nm處,這表明制備的CdTe量子點(diǎn)在550 nm波長(zhǎng)處具有明顯的吸收特征。熒光光譜顯示其發(fā)射峰集中在580 nm左右,這同紫外吸收峰相比有一定的紅移行為。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,CdS量子點(diǎn)吸收光譜的波長(zhǎng)范圍＜550 nm[29]，如果將CdTe與CdS量子點(diǎn)復(fù)合,可以增加相應(yīng)電極的光譜響應(yīng)范圍,有利于進(jìn)一步提升光電轉(zhuǎn)換效率。

圖1 水相條件下制備CdTe量子點(diǎn)的紫外-可見吸收與熒光光譜圖Fig.1 Ultraviolet-visible absorption and fluorescence spectra of CdTe quantum dots prepared by aqueous condition

圖2是所得樣品的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖片。圖2（a）是二氧化鈦納米管陣列敏化前的形貌圖,從圖中可以清晰地觀察到納米管表面呈光滑的狀態(tài),并且納米管陣列呈現(xiàn)有序排列[30]。經(jīng)過(guò)量子點(diǎn)敏化以后的二氧化鈦納米管陣列如圖 2（b～d）所示,圖 2（b）是經(jīng)過(guò)CdTe和CdS共同敏化的二氧化鈦納米管陣列形貌圖,圖 2（c,d）分別是經(jīng)過(guò) CdTe、CdS單獨(dú)敏化的二氧化鈦納米管陣列形貌圖。從圖2（b～d）可以看出,經(jīng)過(guò)量子點(diǎn)敏化后的納米管形貌變化較大,內(nèi)外表面變得十分粗糙,這表明量子點(diǎn)在電極材料上實(shí)現(xiàn)了較高的覆蓋率。同時(shí),經(jīng)過(guò)煅燒處理[31]以后,量子點(diǎn)與納米管之間的界面實(shí)現(xiàn)了更緊密的接觸,這非常有益于提高光生載流子的躍遷、傳輸和收集效率。另外從EDS圖譜中可以清楚地看到CdTe和CdS物質(zhì)的特征元素峰,這進(jìn)一步證明通過(guò)電沉積和化學(xué)浴沉積法可以將CdTe和CdS成功地引入到二氧化鈦納米管陣列上去,并構(gòu)建了相應(yīng)的單層和復(fù)合量子點(diǎn)敏化光電極。

此外,本實(shí)驗(yàn)采用元素分布相測(cè)試工技術(shù)對(duì)復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極材料進(jìn)行表征,結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出,復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極含有的元素主要有 5 種：Ti、O、Cd、S 和 Te, 根據(jù)所得結(jié)果說(shuō)明CdTe和CdS被成功地引入到了電極表面,且元素在電極表面呈現(xiàn)大范圍、均勻的分布特征。

圖 2 光滑二氧化鈦納米管陣列 （a）、CdTe/CdS/TiO2復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極 （b）、CdTe/TiO2單層量子點(diǎn)敏化電極 （c）和CdS/TiO2單層量子點(diǎn)敏化電極 （d）的概覽圖（左欄）與局部放大圖（中欄）以及相應(yīng)EDS圖（右欄）Fig.2 SEM images of smooth TiO2nanotube arrays （a），CdTe/CdS/TiO2composite sensitized photoelectrode （b），CdTe QD-sensitized TiO2nanotube arrays （c）and CdS monolayer QD-sensitized TiO2nanotube arrays （d）

圖3 復(fù)合量子點(diǎn)敏化二氧化鈦納米管陣列的的元素分布圖Fig.3 Element distribution maps of CdTe/CdS/TiO2

圖4是CdTe/CdS/TiO2復(fù)合光電極的XRD圖。從圖中可以看出, 在 2θ=27°、44°和 52°處出現(xiàn)衍射峰,這與CdS的特征衍射峰一致。另外,在2θ=24°、39°和47°處也出現(xiàn)與CdTe相一致的衍射峰[11],其它的峰則來(lái)自于銳鈦礦相二氧化鈦和金屬鈦基底。所得結(jié)果與能譜測(cè)試結(jié)果相一致,進(jìn)一步證明CdTe和CdS量子點(diǎn)材料被成功地引入到TiO2的表面。此外,從CdTe/CdS/TiO2光電極的XRD測(cè)試結(jié)果可以看出CdTe和CdS具有較為突出的特征衍射峰,這表明所得樣品具有較高的結(jié)晶度。

圖4 CdTe/CdS/TiO2復(fù)合光電極的XRD圖Fig.4 XRD pattern of CdTe/CdS/TiO2composite sensitized photoelectrode

圖5 不同電沉積時(shí)間條件下單一CdTe量子點(diǎn)敏化后電極的電流-時(shí)間曲線Fig.5 Current density-time curves of single CdTe quantum dot sensitized electrode under the different times of electrodeposition

為了證明復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極材料相對(duì)于單一量子點(diǎn)敏化電極更具有優(yōu)越性,本實(shí)驗(yàn)對(duì)二者的光電性能進(jìn)行了對(duì)比研究。在沉積電壓為-2.5 V且電沉積時(shí)間分別為200、400和600 s的條件下,對(duì)所得材料的電流-時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中,采用三電極體系,CdTe/TiO2光電極作工作電極,Pt作對(duì)電極,Ag/AgCl作參比電極,以0.1 mol·L-1的Na2S作電解液,在模擬光照條件下進(jìn)行光電性能測(cè)試,所得結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,當(dāng)電沉積時(shí)間為200 s時(shí),電流密度只有0.5 mA·cm-2。當(dāng)電沉積時(shí)間增加到400 s時(shí),光電流密度數(shù)值可達(dá)0.9 mA·cm-2,表現(xiàn)出最優(yōu)異的光電性能,這與Al-Haddad等[23]所得的1.1 mA·cm-2的結(jié)果相接近。然而當(dāng)時(shí)間進(jìn)一步增加到600 s時(shí),電流密度反而降低,只有0.6 mA·cm-2。以上結(jié)果可能是因?yàn)楫?dāng)電沉積時(shí)間為200 s時(shí),較短沉積時(shí)間會(huì)導(dǎo)致CdTe量子點(diǎn)沉積的量較少,傳遞的電子數(shù)目也相應(yīng)減少,因此產(chǎn)生的光電流較小。當(dāng)電沉積時(shí)間增加到400 s時(shí),由于電極上負(fù)載的量子點(diǎn)敏化劑的厚度較為適宜,既有利于光生電子的快速分離、躍遷和傳遞,同時(shí)又能有效地抑制光生電子和空穴的復(fù)合,因而表現(xiàn)出更好的光電性能,具有更高的光電流密度。但是當(dāng)電沉積時(shí)間進(jìn)一步增加到600 s時(shí),盡管實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)敏化劑厚度的增加,然而電子在傳遞的過(guò)程中更容易發(fā)生復(fù)合,這導(dǎo)致電子利用率下降,相應(yīng)光電流數(shù)值反而降低。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在沉積電壓為-2.5 V,沉積時(shí)間為400 s的條件下,電流密度可以達(dá)到0.9 mA·cm-2,表現(xiàn)出最優(yōu)異的性能。

盡管CdTe單獨(dú)敏化二氧化鈦納米管的電流密度可以達(dá)到0.9 mA·cm-2,但數(shù)值還是偏低,這可能是因?yàn)閱螌用艋瘎┑墓忭憫?yīng)范圍偏窄,所以導(dǎo)致效率偏低。為了進(jìn)一步提高其光電流,可以通過(guò)引入其它敏化劑來(lái)擴(kuò)展電極的光響應(yīng)范圍,進(jìn)而提高光電流數(shù)值。對(duì)此本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)浴沉積法將CdS量子點(diǎn)進(jìn)一步敏化到所得電極上,通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間,探索復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極的最優(yōu)制備條件。圖6是CdTe/TiO2電極材料在CdS量子點(diǎn)溶液中經(jīng)過(guò)不同時(shí)間處理后所得的復(fù)合電極材料的電流-時(shí)間關(guān)系曲線。從圖中可以看出,化學(xué)浴沉積處理20 min時(shí),所得電極材料的電流密度為1.5 mA·cm-2,當(dāng)處理時(shí)間進(jìn)一步增加到40 min時(shí),相應(yīng)的電流密度可高達(dá)3.1 mA·cm-2,表現(xiàn)出最優(yōu)異的光電性能。而當(dāng)處理時(shí)間進(jìn)一步增加到60 min時(shí),電流密度反而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),從圖中可以看出電流密度從3.1降到1.8 mA·cm-2。這說(shuō)明CdS后處理膜層的厚度需要在一個(gè)合適的范圍內(nèi)才能起到改善光電性能的目的。這可能的原因是：（1）如果將CdS敏化到電極上的時(shí)間過(guò)短,負(fù)載到電極上的CdS量子點(diǎn)的量就比較少,在光照射下產(chǎn)生的電子數(shù)目就較少,因而光電流數(shù)值較小。（2）將CdS敏化到電極上的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),形成的CdS量子點(diǎn)負(fù)載膜層厚度較大,不利于內(nèi)層CdTe量子點(diǎn)對(duì)光的吸收,致使材料對(duì)光的利用率降低。而且若CdS量子點(diǎn)厚度進(jìn)一步增加,將導(dǎo)致電子在傳遞過(guò)程中的復(fù)合概率增大,電子的利用率也會(huì)相應(yīng)地降低,最終導(dǎo)致所得材料的電流密度減小。本實(shí)驗(yàn)中,優(yōu)化的CdS后處理時(shí)間集中在40 min左右,所得電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)優(yōu)化后處理的時(shí)間,將CdS量子點(diǎn)進(jìn)一步敏化到CdTe/TiO2電極上,可以將電流密度提高到3.1 mA·cm-2。

圖6 CdS不同時(shí)間處理?xiàng)l件下所得復(fù)合量子點(diǎn)電極材料的電流-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Current density-time curves of CdS quantum dots sensitized CdTe/TiO2under different treatment times

為了進(jìn)一步證實(shí)復(fù)合量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì),我們對(duì)在最優(yōu)制備條件下獲得的單一CdS和CdTe量子點(diǎn)敏化電極與CdTe/CdS/TiO2復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極的光電性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比,結(jié)果如圖7所示。

圖7 最優(yōu)制備條件下，CdTe/CdS/TiO2，CdSTiO2和CdTe/TiO2光電極的電流-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Current density-time curves of CdTe/CdS/TiO2，CdS/TiO2and CdTe/TiO2based photoelectrodes under optimal preparation conditions

從圖7可以看出,在最優(yōu)條件下制備的CdS和CdTe單層量子點(diǎn)敏化電極的電流密度分別只有1.0和1.25 mA·cm-2,而復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極的最大電流密度可高達(dá)3.1 mA·cm-2,與單層量子點(diǎn)敏化電極相比具有更高的電流密度。這是因?yàn)椋海?）CdTe量子點(diǎn)的光響應(yīng)范圍在可見光區(qū)域（如圖1所示）,而CdS量子點(diǎn)光響應(yīng)范圍集中在紫外和可見光區(qū)域,引入CdS量子點(diǎn)以后,有利于擴(kuò)大光響應(yīng)范圍,提高材料對(duì)光的利用率。（2）引入CdS量子點(diǎn)可以進(jìn)一步增加光生電子的數(shù)目,達(dá)到提高光電流密度的目的。（3）CdTe/CdS/TiO2構(gòu)建了有利于電子躍遷的優(yōu)化階梯能級(jí)結(jié)構(gòu),能夠使光生電子有效地從CdS和CdTe敏化劑轉(zhuǎn)移到TiO2基底材料中,從而獲得較高的電流密度和光電轉(zhuǎn)化效率。以上結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)所構(gòu)建的CdTe/CdS復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極具有較為優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化性能,所得結(jié)果同已有的報(bào)道相接近[32]。另外,同單一量子點(diǎn)敏化相比,復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極的光電流密度數(shù)值要明顯高于單一量子點(diǎn)敏化電極的加和,這說(shuō)明基于CdS和CdTe復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極表現(xiàn)出一定的協(xié)同效應(yīng),且電流密度的可重現(xiàn)性較好。

此外,我們還對(duì)CdTe/CdS/TiO2電極材料的光電轉(zhuǎn)化性能以及電化學(xué)阻抗性能作進(jìn)一步研究（圖8）。具體光電性能數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。根據(jù)圖8（a）所得結(jié)果可以看出,在處理時(shí)間為40 min時(shí),復(fù)合量子點(diǎn)敏化電極所構(gòu)建的太陽(yáng)能電池具有最優(yōu)異的性能,光電流數(shù)值可達(dá)3.1 mA·cm-2,開路電壓超過(guò)1 V,光電轉(zhuǎn)化效率為1.85%。圖8（b）是CdS不同后處理時(shí)間所得的Bode圖,縱坐標(biāo)表示相位角,橫坐標(biāo)表示頻率。從圖中峰位置可以看出,用CdS處理20 min時(shí),相位角約為80°；當(dāng)處理時(shí)間增加到40 min時(shí),相位角減少到55°；當(dāng)處理時(shí)間進(jìn)一步增加到60 min時(shí),相位角約為75°。根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道,相位角越大,材料的電阻越大[33]。從圖 8（b）中可以看出,當(dāng)CdS處理時(shí)間為40 min時(shí)所得相位角最小,這說(shuō)明相應(yīng)電極材料的電阻最小。

圖8 CdS不同時(shí)間處理?xiàng)l件下所得復(fù)合量子點(diǎn)電極材料的I-V曲線 （a）和相應(yīng)的Bode圖（b）測(cè)試結(jié)果Fig.8 （a）Current density-voltage （I-V）characteristics and （b）Bode image of CdS quantum dots sensitized CdTe/TiO2electrodes under different times

表1 CdS不同時(shí)間處理?xiàng)l件下所得復(fù)合量子點(diǎn)電極材料的的光電性能Table 1 Photoelectric performance of CdS quantum dot sensitized CdTe/TiO2under different times

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)將電沉積法和化學(xué)浴沉積法相結(jié)合,成功制備了CdTe/CdS/TiO2復(fù)合量子點(diǎn)敏化光電極材料。通過(guò)多種測(cè)試手段對(duì)所得樣品形貌、晶型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)表征,并對(duì)其光電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與CdS/TiO2、CdTe/TiO2單層量子點(diǎn)敏化光電極相比,CdTe/CdS量子點(diǎn)共敏化TiO2光電極具有更優(yōu)異的光電性能,其短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率分別可達(dá)到3.1 mA·cm-2和1.85%。性能提升的原因如下：（1）優(yōu)化的多層量子點(diǎn)敏化電極材料具有更寬的光譜響應(yīng)范圍,更小的電阻,因而可獲得更多的光生電子。（2）通過(guò)CdS量子點(diǎn)后敏化處理,構(gòu)建能級(jí)匹配的電子躍遷結(jié)構(gòu),從而有利于電子的快速躍遷,獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。（3）實(shí)驗(yàn)采用后煅燒處理工藝,可以改善量子點(diǎn)之間以及與TiO2納米管之間界面的接觸,從而有利于光生電子的躍遷和傳輸。

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