首页“香格里拉娱乐”主页CHEMISTRYVol．24Sep．2012收稿：201112月，收修改稿：2012国家自然科学基金项目（No．51172072）、中央高校基础研究基金项目（No．WJ0913001）、教育部科学技术研究重点项目109063）和华东理工大学化学工程重点实验室基金项目（No．SKL-ChE-08C09）资助＊＊Correspondingauthore-mail：．cn纳米晶/聚合物太阳能电池（华东理工大学机械与动力工程学院承压系统安全科学教育部重点实验室上海200237）纳米晶/聚合物太阳能电池作为一种新型光伏器件成为近年来的研究热点。通过改变纳米晶的形貌及尺寸来调节材料本身的带隙从而改善光吸收特性，并且无机半导体材料本身具有高的电子迁移率和良好的热稳定性，以上特性使该类电池具有巨大的发展潜力。本文从纳米晶的种类、形状和尺寸、表面配体及纳米晶与聚合物界面性能等方面综述了纳米晶/聚合物太阳能电池的研究现状。纳米晶形貌、太阳光利用率和载流子传输效率是影响电池效率的主要因素。文中指出开展窄带隙纳米晶的合成、优化纳米晶/聚合物电池结构、解析纳米晶与聚合物界面激子传输机理等改善该类电池性能的途径，旨在为提高纳米晶/聚合物太阳能电池的效率提供借鉴经验。关键词纳米晶聚合物太阳能电池电池效率电荷传输中图分类号：TM914.4；O649；O63文献标识码：A文章编号：1005-281X（2012）09-1837-08NanocrystalPolymerSolarCellFuHonghongLuanWeilingYuanBinxiaTuShan-TungKeyLaboratorySafetySciencePressurizedSystem，MinistryPowerEngineering，EastChinaUniversityTechnology，Shanghai200237，China）AbstractHybridsolarcellsbasedconjugatedpolymersuitablealternativeclassicalsolarcells．solarcellhasattractedgreatattentions，becauseabsorptionspectratunablehigherelectrontransfervelocitythanarticlereviewspolymerhybridsolarcells．factorsaffectingsolarcellperformancecriticallyexaminedincludingnanocrystals，thecappingligand，andinterfacialchargetransportationsbetweennanocrystalspolymer．Severalstrategiesoverallefficiencyhybridsolarcelldiscussed．Narrowbandgapnanocrystals，structureoptimizationschargetransportationsfuturedevelopmentsolarcell．Keywordsnanocrystal；polymer；solarcell；efficiency；chargetransportation引言全球性的能源危机、环境污染和气候变暖等问题日益突出，使得太阳能等可持续发展能源的高效利用成为能源振兴的重点发展对象。太阳能电池是实现可持续发展能源利用的方式之一。提高光电转换效率和降低制造成本是当前太阳能电池制备中需考虑的首要因素。现有的高转换效率的太阳能电池主要以硅基为主，其对硅片的纯度要求很高，而硅片提纯工艺较为复杂、环境污染也严重，导致该类电池3161838的成本居高不下。薄膜太阳能电池是20世纪90代初九十期出现的一类新型太阳能电池。与无机硅太阳能电池相比，它具有耗材少、制造工艺简单、容易大规模生产；成本低，仅为硅太阳能电池的1/10；寿命长，可达15年以上；结构可设计性强、加工性能好、便于制造大面积电池等优点。尽管目前其光电转化效率仍低于传统的硅太阳能电池，但其基于纳米晶半导体材料的新型太阳能电池具有进一步提高效率和降低成本的潜在优势。目前，薄膜太阳能电池已成为太阳能电池研究领域的一个新热点，其中包括染料敏化电池和纯有机聚合物电池两种类型。前者的效率已经超过了11%，但其使用的液体染料容易泄漏。而纯有机聚合物太阳能电池重量轻、易成膜、可弯曲，在微型电脑、无线鼠标、家用电器、智能建筑等方面具有很好的前景。同时，有机太阳能电池可体现各种颜色和图案，能进行更加精美的设计，在建筑和电子设备领域有良好的发展前景。虽然如此，目前纯有机电池仍存在光活性范围小（大部分有机聚合物的吸收波段都集中在可见光范围，对红外区域的太阳辐射利用率低）、载流子迁移率低的问题，电池最大转换效率在7%［2，3］左右，加之其热稳定性差，无法长期使用。将无机半导体纳米晶加入到聚合物中形成复合光活性层，由此制备的纳米晶/聚合物太阳能电池可有效地提高太阳能电池的光电转换效率，弥补纯有机电池的缺陷，为薄膜电池的发展提供了新的途径。半导体材料高效的本征载流子迁移可大大提高光电转换效率；纳米晶的能带结构随尺寸与形状变化的特性，可使纳米晶对太阳光的吸收扩展到近红外至红外波段，改善吸收光谱与太阳辐射光谱的重合率，从而提高对太阳光的利用率PbS、PbSe）吸收一个光子能产生多个电子-空穴对（即激子），释出的电子越多，太阳能电池的输出功率也越大，便于最大程度地利用所吸收的太阳光。理论研究表明：基于纳米晶的太阳能电池可使转换效率提高到60%，突破目前光伏转换效率的上限。另外，纳米晶/聚合物太阳能电池具备纳米晶对太阳光的吸收可调性好、电子传输高、化学稳定性强等特点，同时又延续了聚合物材料柔性佳、便于加工制造、可大面积生产的优势。本文对近年来纳米晶/聚合物太阳能电池的国内外研究动态进行介绍，结合本实验室的部分工作讨论纳米晶的种类、形状和尺寸，表面配体及与聚合物界面性能等方面对太阳能电池性能的影响，并指出了目前该类电池的主要技术瓶颈。纳米晶/聚合物电池的原理和结构常见的纳米晶/聚合物太阳能电池是由阴阳极、纳米晶与聚合物复合的光活性层、阳极缓冲层等几部分组成。其中，聚合物用作电子给体和空穴传输介质，纳米晶用作电子受体和电子传输介质。其结构及能级图如图1，2所示。在光照下，电池中的半导体纳米晶和聚合物同时吸收光子，产生电子-空穴对。由于纳米晶具有较强的电子亲合力（电势能），而聚合物电离能相对较低，两者之间的电势差形成电场。在该电场中，电子-空穴对分离形成载流子（纳米晶受体上的电子和聚合物给体上的空穴），分离后的电子和空穴分别沿着各自的路径运行到相应 电极，从而形成电流。由于半导体纳米晶具有较高 的电子亲合能和迁移率，且其比表面积大，与聚合物 形成 p-n 结，为电荷分离提供了充足的动力和界面， 利于提高电池效率 。常用的表征纳米晶/聚合物 太阳能电池光电性能的参数主要包括：短路电流密 sc），开路电压（V oc ），填充因子（FF）和光电转 换效率（PCE）。 纳米晶/聚合物太阳能电池的结构示意图 Fig． Structurediagram hybridsolar cells based 纳米晶/聚合物太阳能电池的能级结构图 Fig． Energylevel diagram hybridsolar cells based 研究现状分析近年来，针对纳米晶/ 聚合物太阳能电池的研究 317 付红红等纳米晶/ 聚合物太阳能电池 1839 逐渐增多。图3 所示为 2002 年—2011 表的相关论文情况，结果表明：包含美国、中国、德国、日本等国家的研究机构和公司正加紧开展低成 本、高效率的纳米晶/ 聚合物太阳能电池的基础科学 和实用化技术探索。 SCI收录的有关纳米晶/ 聚合物太阳能电池的文献 统计图 Fig． publishedpaper hybridsolar cells embodied 纳米晶的形状、种类、尺寸以及组分的研究在纳米晶/ 聚合物太阳能电池中，研究较多的纳 CdSe、PbSe、CdS、CdTe以及 TiO 系。美国加州大学伯克利分校Greenham CdSe球形纳米晶与聚合物（2-甲氧基-5- （2-乙烯基-己氧基）聚对苯乙烯撑，MEH-PPV）复 合，制备了第一个纳米晶/ 聚合物太阳能电池，其光 电转换效率为0. 01%。2000 报道了多形状 CdSe 纳米晶的高效合成，不同形状纳米晶对 太阳能电池性能的影响研究相继展开。Huynh 基于CdSe 纳米棒的最初光电转换效率为 7%，较球状纳米晶有很大提高。Greenham ［10］对比了添 加棒状和四足状纳米晶后太阳能电池的光电转换性 能，添加四足状纳米晶的电池在 39mWcm 光照条件下，480nm处的外量子效率达到 45%，是 同比条件下添加棒状纳米晶的两倍（如图4）。 纳米晶形貌对太阳能电池外量子效率的影响（实线为四足状纳米晶，虚线］ Fig． EQEspectra photovoltaicdevices containing CdSe nanorods （dashed line）and tetrapods（solid line） ［10］ Gur ［11］采用 CdSe CdTe的超支化结构制 备纳米晶/ 聚合物太阳能电池，所得的转换效率达 2%。棒状、四足状、支化及超支化结构的纳米晶在太阳能电池的应用方面表现出的光电性能明显优 于球状纳米晶。一般认为：棒状纳米晶在器件内电 场的作用下沿着棒径向排列，提供电子沿棒的径向 传递途径，有效避免了电子在纳米晶间碰撞传递而 带来的效率损耗。纳米棒的径向长度决定电子传递 的距离，轴向半径改变纳米晶的能带。通过调节纳 米棒的长径比，可以优化其对太阳光的利用率及电 子传递效率。四足及支化结构纳米晶，特别是大的 超支化结构能够贯穿太阳能电池的整个光活性层 （由于电池中激子的扩散距离很短，一般制备的纳