量子点敏化太阳能电池光阳极的制备方法
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第２９卷第５期 ２ ０ １ ４年５月 宿州学院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＶＯＩ．２９，ＮＯ．５
Ｍａｙ．２０１４
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—２００６．２０１４．０５．０２０
量子点敏化太阳能电池光阳极的制备方法
杨 杰，朱 光
宿州学院自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室，安徽宿州，２３４０００
摘要：介绍了量子点敏化太阳能电池的基本结构和工作原理，详细描述了量子点敏化太阳能电池光阳极的不同制
备方法及其界面的直接连接。分析了光阳极制备中存在的问题，指出为了提高量子点敏化太阳能的光电转换效率，
需要进一步了解光阳极的结构、制备方法及界面性能，今后进一步研究的方向是寻找更好的量子点材料和性能优
越的光阳极制备方法，降低量子点敏化太阳能电池的成本、提高其转换效率和稳定性。
关键词：量子点敏化太阳能电池；光阳极；制备方法；界面
中图分类号：ＴＭ９１４．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—２００６（２０１４）Ｏ５—００６３－－０３
近年来，半导体无机量子点，如ⅡＢ一ⅥＡ族及
ＩＶ Ａ—ＶＩ Ａ族化合物ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ、ＰｂＳ、ＺｎＳｅ和
ＰｂＳｅ等，被广泛用作敏化太阳能电池的光敏化
剂 引，此类太阳能电池称为量子点敏化太阳能电池
（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ—ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ，ＱＤＳＳＣｓ）［ 。量
子点敏化太阳能电池是染料敏化太阳能电池的重要
分支，其结构与染料敏化太阳能电池基本一致，但
ＱＤＳＳＣｓ采用无机窄禁带的量子点（ＱＤｓ）取代传统
的钉染料作为吸收太阳光的敏化剂。此类量子点相
对于传统的有机染料具有优越的性能。这类半导体
量子点的能隙越小，可利用的光波范围越宽；同时量
子点可借由尺度大小调整吸收光谱范围，因此可灵
活控制吸收光谱。此外，由于冲击离子化效应，使得
光子更被充分利用，因此半导体量子点的潜力极受
注目。凭借量子点种类丰富、可调节、合成简单和多
激子效应等诸多优势，使得ＱＤＳＳＣｓ已经成为当前
研究的热点。
１ 量子点敏化太阳能电池的结构和原理
量子点敏化太阳能电池主要由量子点敏化的光
阳极、电解质和对电极组成，其结构及能带如图１所
示。量子点敏化的光阳极包括透明导电玻璃
（ＦＴＯ）、纳米晶ＴｉＯ。多孔薄膜和吸附在其上的量子
点敏化剂；电解质，包括氧化还原离子对和溶剂，氧
化还原离子对一般采用多硫或多碘的电解液；对电
极，一般采用具有较高催化性能的材料，如Ａｕ、Ｐｔ、
Ｃａｒｂｏｎ等材料Ｌ８＿９ｊ。 在太阳光照下，量子点吸收大于其禁带宽度的
光子之后，禁带电子从基态跃迁到激发态，不稳定的
激发态电子可迅速注入到宽禁带多孔半导体导带
中，接着扩散到导电基底上，再通过外电路传输到对
电极；量子点价带中的空穴被电解液中的氧化还原
电子对还原，传输到对电极上的电子被电解质中的
氧化剂吸收。
ｂ
０ ０ ０
ＣＢ ＣＢ
Ｆｒｏ Ｔｉ０２ ＱＤ
ＣＢ－ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ ＶＢ－ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ ＣＥ－ｃｏｕｎｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ 西一ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ
图１量子点敏化太阳能电池的结构示意图和能带图
２光阳极的制备方法
光阳极是量子点敏化太阳能电池的重要组成部
分，光阳极多孑Ｌ薄膜的种类、微孔孔径分布、表面电
子结构、膜厚度和粒径分布等参数，对量子点敏化电
极的量子点吸附量、界面电子复合、电子输运以及电
极吸光效率等性质都有重要影响，很大程度上影响
着太阳能电池的光电转化效率。近年来，研究人员用
不同的方法制备量子点敏化的光阳极，如化学浴沉
收稿日期：２０１４—０２—２６ 基金项目：宿州学院自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室开放课题“静电纺丝纳米材料制备及其光催化性能研究” （２０１３ＹＫＦ２４）。 作者简介：杨杰（１９７６一），安徽宿州人，硕士，讲师，主要研究方向：太阳能电池、光催化及磁性材料。
６３ 积法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂａｔｈ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＢＤ）［ 。 、自组装
单分子层法（Ｓｅｌｆ＝ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ，ＳＡＭ）［１ 引、
连续离子层吸附反应法（Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｉｏｎｉｃ ｌａｙｅｒ ａｄ—
ｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ，ＳＩＬＡＲ）【１ 引、电化学沉积法
（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＥＤ）［１引、喷雾热解法
（ｓｐｒａｙ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ，ＳＰ）［＂ 引、光沉积法（ｐｈｏｔｏ—ｄｅｐｏｓｉ—
ｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＰＤ）［１ 、微波辅助的化学浴沉积法
（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂａｔｈ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，
ＭＡＣＢＤ）［ｚｏ－ｚｚ］等，研究其内部的界面接触以及电子
传输，提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率。
２．１化学浴沉积法（ＣＢＤ）
ＣＢＤ也称之为化学液相沉积，是一种液相的沉
积方法，也是最早被应用到将量子点沉积到光阳极
上的一种方法。这种方法沉积量子点时，首先将阴、
阳离子前驱体溶解在溶液中，再将多孔半导体薄膜
浸入到该溶液中生成量子点。Ｚｈａｎｇ等使用ＣＢＤ方
法在水性条件下制备ＣｄＳ／ＣｄＳｅ量子点敏化的光阳
极，在一个标准太阳光（１００ ｍＷｃｍ一，ＡＭ １．５Ｇ）
下，制备的ＣｄＳ／Ｃｄｓｅ量子点敏化太阳能电池得到
４．９２ 的光电转换效率［２引。
２．２ 自组装单分子层法（ＳＡＭ）
ＳＡＭ是８Ｏ年代以来快速发展起来的一种薄膜
制备技术，主要通过表面活性剂的头基与基底之间
产生化学吸附，在界面上自发形成一层薄膜。Ｐａｎ等
利用热注入的方法制备油酸包覆的ＣｄＳ／ＣｄＳｅ结构
量子点，使用短连接的ＭＰＡ替代量子点上的油
酸［２ 。使用ＳＡＭ方法在ＴｉＯ。薄膜表面制备一层巯
基包覆的ＣｄＳ／ＣｄＳｅ量子点作为量子点敏化太阳能
电池的光阳极，在一个标准太阳光（１００ ｍＷｃｍ＿。，
ＡＭ １．５Ｇ）下，使用巯基包覆的ＣｄＳ／ＣｄＳｅ量子点敏
化太阳能电池得到５．３２ 的光电转换效率。
２．３ 连续离子层吸附反应法（ＳＩＬＡＲ）
ＳＩＬＡＲ是液相制备薄膜的一种新的方法，通过
反复的正负离子反应在衬底上制备半导体薄膜。Ｌｅｅ
等连续使用ＳＩＬＡＲ方法在ＴｉＯ 薄膜上制备ＣｄＳ和
ＣｄＳｅ共敏化的光阳极，在一个标准太阳光（１００
ｍＷｃｍ＿ ，ＡＭ １．５Ｇ）下，制备的ＣｄＳ／ＣｄＳｅ量子点
敏化太阳能电池得到４．２２ 的光电转换效率Ｌ２引。
２．４ 电化学沉积法（ＥＤ）
ＥＤ是指金属或合金从其化合物水溶液、非水
溶液或熔盐中电化学沉积制备薄膜的一种方法。Ｓｕ
等［１明连续使用ＥＤ方法在ＴｉＯ 薄膜上电沉积制备
ＣｄＳ和ＣｄＳｅ共敏化的光阳极，在一个标准太阳光
（１００ ｍＷｃｍ＿。，ＡＭ １．５Ｇ）下，制备的ＣｄＳ／ＣｄＳｅ量
子点敏化太阳能电池得到４．８１ 的光电转换效率。
６４ ２．５喷雾热解法（ＳＰ）
ＳＰ是一种利用雾化热解的方法，将量子点前驱
体溶液雾化，在高温作用下成核、生长［１７］。最近，Ｚｈｕ
等［１ 使用超声雾化热解法在ＦＴＯ导电玻璃上制备
多孔结构的ＺｎＯ薄膜，随后又再次使用该方法雾化
热解ＣｄＳ的前驱体水溶液，在ＺｎＯ薄膜上沉积ＣｄＳ
量子点，制备ＣｄＳ敏化的ＺｎＯ光阳极，并对制备电
池的光伏性能和电化学机理进行了的研究。在一个
标准太阳光（１００ ｍＷｃｍ＿。，ＡＭ １．５Ｇ）下，得到
１．５６％的转换效率。
２．６ 光沉积法（ＰＤ）
ＰＤ是指在光照的条件下，前驱体溶液缓慢反
应制备半导体薄膜的一种技术。Ｙ．Ｊｉｎ—ｎｏｕｃｈｉ等［１ ９］
使用ＰＤ法，通过ＣｄＳ前驱体溶液在ＴｉＯ。薄膜表面
制备ＣｄＳ敏化的光阳极，并对制备电池的光伏性能
和电化学机理进行了系统的研究。在一个标准太阳
光（１００ ｍＷｃｍ＿。，ＡＭ １．５Ｇ）下，得到２．５１ ９，６的光电
转换效率。
２．７ 微波辅助的化学浴沉积法（ＭＡＣＢＤ）
ＭＡＣＢＤ是一种新型的绿色的材料制备方法，
具有简洁、高效、快速等优点，且制备的样品纯度高、
尺寸分布窄和产量大等特点，因而受到科学界的广
泛关注［２ 。与传统的制备光阳极的方法相比，前驱
体溶液在微波的辐射作用下，可以在极短的时间内
成核、生长；同时颗粒的表面能在微波的作用下得到
改善。因此，量子点和金属氧化物薄膜之间可以形成
好的界面，有利于电子的传输，阻碍其复合，得到一
个高的光电转换效率。Ｚｈｕ等［２ｏ－ｚ２］使用ＭＡＣＢＤ法
制备ＣｄＳ、ＣｄＳｅ和ＣｄＳ／ＣｄＳｅ敏化的二氧化钛电极，
并应用于量子点敏化太阳能电池。在一个太阳光照
射（ＡＭ １．５ Ｇ，１００ ｍＷ ｃｍ ）下，分别得到１．１８％、
１．７５％和３．Ｏ６ 的转换效率。
３展望
ＱＤＳＳＣｓ作为新一代光伏电池，其理论光电转
换效率可以达到６６ ，但目前还没有制备出这种超
高转换效率的太阳能电池。从光阳极制备的角度考
虑，量子点的种类虽多，但能够与宽禁带光阳极实现
能级匹配的量子点有限。半导体光阳极多孑Ｌ薄膜种
类、微孔孔径分布、表面电子结构、膜厚度、晶型、规
整度和粒径分布等参数，对量子点敏化电极的量子
点吸附量、界面电子复合、电子输运以及电极捕光效
率等性质有重要影响，且在很大程度上影响着量子
点敏化纳米晶太阳能电池的光电转化效率。因此，进
一步理解量子点敏化太阳能电池的工作机理和新结
构设计，寻找更好的量子点材料和性能优越的光阳
