纳米复合材料在太阳能电池中的研究进展

韩宇豪 司薇 赵瑛祁

摘 要：第三代太阳能电池，即新型薄膜电池是太阳能电池的发展趋势。本文介绍了纳米复合材料在染料敏化太阳能电池、无机半导体量子点敏化太阳能电池和无机-有机异质结太阳能电池三种新型薄膜电池制造中的研究进展，最后探讨了目前存在的问题以及今后的研究方向。

关键词：纳米复合材料;第三代太阳能电池;研究进展

近年来，传统能源日益枯竭，环境污染和温室效应等问题也日益严重。因此人们的研究重点转向了清洁环保的可再生能源。太阳能资源最丰富、清洁绿色、分布广泛，地域限制不明显，是很有潜力的可再生能源。如能将太阳能转化为热能、电能、化学能和生物质，就可解决传统能源紧缺、环境污染等问题。众多研究人员对光电转化，即研制太阳能电池做出了巨大努力，并取得了可喜的成果。如今，太阳能电池的研究经历了第一代——硅基半导体电池、第二代——多元化合物薄膜电池，发展到了第三代——新型薄膜电池，这种新型电池引入了有机物和纳米技术。与常规材料有着不同特性的纳米材料与拥有“协同效应”的复合材料相结合，使得纳米复合材料得到了重点关注。本文介绍了研究较多的纳米复合材料在第三代太阳能电池中的研究进展，并探讨了目前存在的问题及今后研究的方向。

1 染料敏化太阳能电池

上世纪90年代瑞士科学家首次提出了一种新型太阳能电池，以染料吸收光并给出电荷，纳米半导体多孔膜支撑染料、接受电荷并传导电荷，这就是染料敏化太阳能电池（DSC）。这种电池具有原料丰富、成本低、工艺技术相对简单和稳定性高等优点，并且所使用的原料和生产工艺无毒、无污染，部分材料可以充分回收，因此得到了研究者的重视。

这种电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。受太阳光照射后，染料分子由基态跃迁至激发态;处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中;电子运动到导电玻璃基底，之后进入外电路。同时，电池内部发生的是氧化态的染料的还原再生反应和电解质的氧化还原反应，之后染料可以继续进行光生电子的产生和循环。

纳米多孔半导体薄膜多用TiO2、SnO2和ZnO等材料制作，其中最常见的是纳米TiO2。然而TiO2本身禁带宽，产生的电子-空穴对极易复合、寿命短，光响应范围较窄，因此为改善TiO2的光电化学性能，许多研究者开始探索采用纳米复合材料制作多孔薄膜的可能性。有研究者应用溶胶-凝胶法制备了多壁碳纳米管基TiO2和TiO2-xNx纳米复合材料。试验证明多壁碳纳米管的应用有利于光生电荷的分离和传输，能使光生电子的收集效率提高20%。也有人利用静电纺丝技术纺制了Au/ TiO2纳米复合纤维、PVP/无定型TiO2纳米复合纤维，以及PMMA/ TiO2纳米复合纤维等材料，这些材料经处理后得到的多孔结构可用于DSC，稳定性较高。石墨烯量子点与TiO2的复合膜也可用于DSC。与纯TiO2膜相比，石墨烯/ TiO2纳米复合膜可以增大DSC的能量转换效率。有些研究者另辟蹊径，将卟吩染料分子和纳米TiO2通过静电自组装法层层组装到导电玻璃上，形成了有机染料/ TiO2纳米复合膜。这种层层组装的形式使该纳米复合膜在紫外和可见光区域都出现了光电化学响应。

2 无机半导体量子点敏化太阳能电池

无机半导体量子点敏化太阳能电池（QDSC）与DSC的工作原理、电池结构特征和电子转移过程基本相同，主要差异在于以无机窄禁带量子点取代传统的染料或有机染料作为敏化剂。太阳光照射量子点时，量子点的电子-空穴对发生分离，电子从价带跃迁到导带并注入半导体纳米晶层（多为TiO2）的导带中，通过半导体多孔膜扩散到导电玻璃，进入外电路。留在价带的空穴被氧化还原电对的电子还原。量子点有很多优点，如吸光范围大、化学稳定性好、合成过程简单、成本低、吸光层可制备得极薄、更易实现电子给体和受体材料的能级匹配等。

常用的量子点敏化剂主要有CdSe、CdS、CdTe、InP、InAs、PbS和PbSe等。其中CdSe与TiO2的能级非常匹配，是研究的最多的一类量子点敏化电池。有研究者利用光辅助的电沉积法制备了CdSe/ TiO2纳米管阵列，并将其制成了QDSC。该电池能兼顾电子注入效率和吸收光谱范围，增强光电响应信号。除了TiO2外，ZnO也是一种常用于QDSC的多孔n型半导体纳米材料。有课题组将CdSe纳米颗粒偶联到ZnO纳米线上，成功地制造了QDSC。

3 无机-有机异质结太阳能电池

DSC和QDSC中均用到易挥发且有腐蚀性的业态电解液，因此在电池的封装和电解液泄露方面存在问题。无机-有机异质结太阳能电池（HSC）可以很好地解决这些问题。HSC是一种固态太阳能电池，异质结中作为电子给体的共轭聚合物可以均匀地注入具有规则形貌的电子受体无机半导体中，可以极大地提高电子在给受体间的转移效率。HSC以纳米无机半导体材料作为光敏剂，常用的有CdSe、CdS等;常用的有机物有P3HT、PCBM等。HSC可采用低成本、简单的制作工艺，易于大规模生产，光电转换效率目前已经成超过15%，是一种很有潜力的太阳能电池。

4 结语

近年来，国内外学者对纳米复合材料在太阳能电池制造中的应用进行了许多研究，并取得了巨大的成绩。但研究成果还处于实验室摸索和理论探究阶段。今后仍然需要继续开发高效的、低成本、环境友好的敏化剂，拓宽电池的光谱吸收响应范围，继续开发新方法、新材料，提高电池的光电转换效率。同时也应对新型太阳能电池的产业化研究投入更多。

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