舒婷

（湖北科技学院药学院，湖北咸宁437100）

自1991年Grätzel[1]教授首次报道染料敏化太阳能电池获得7.9%的转化效率以来，染料敏化太阳能电池引起了研究者的广泛关注。近年来，量子点敏化太阳能电池（QDSSC）的研究已成为热点。相对常规的有机染料，量子点作为敏化剂有诸多优点[2-4]：（1）成本低廉，制备工艺简单；（2）吸光系数大，光稳定性好；（3）可通过调控量子点的尺寸改变量子点的带隙，使其更好的吸收太阳光谱；（4）量子点具有独特的多激子发生的潜能，即吸收一个光子产生多个电子空穴对，这使得QDSSC具有更高的理论转化效率（44%）[4]。然而，目前量子点敏化太阳能电池的光电转化效率仍然不高。电解质是量子点敏化太阳能电池的重要组成部分。高性能电解质的缺乏是限制量子点敏化太阳能电池的光电转化效率的主要因素之一。本文简要介绍了电解质的功能及分类，重点介绍了各类电解质的研究进展。

1 电解质的功能及分类

QDSSC主要由透明导电玻璃，纳晶多孔半导体薄膜、量子点光敏剂、电解质和对电极几部分组成。其工作原理为，首先量子点吸收光子，电子由基态跃迁到激发态，激发态量子点将电子注入到半导体的导带中，半导体导带中的电子传至后接触面而传输到对电极。电解质中的氧化还原电对起到传送电子的作用，它将电子传输给氧化态的量子点，使电池形成循环回路。QDSSC中的电解质可以分为液态电解质，准固态电解质，固态电解质。

2 液态电解质

多硫电解质的溶剂中含水，导致电池的填充因子和电压低。Li等[11]对多硫电解质进行了改进，将Na2S盐换成了（CH3）4N]2S盐形成[（CH3）4N]2S/[（CH3）4N]2Sn多硫电解质溶于有机溶剂3-甲氧基丙腈中，该电解质的电荷传输阻抗比水体系的多硫电解质低，制得的CdSQDSSC具有较高的开路电压和填充因子（VOC=1.2V,JSC=3.0mA cm-2,FF=0.89），并获得了3.2%的转化效率。

除了无机多硫电解质，金属配合物电解质也在研究者的探索之列。Tachibana等[12]利用氧化还原电对作为CdSQDSSC的电解质。Lee等[13]利用[Co（o-phen）3]2+/3+氧化还原电对应用于PbS和CdSQDSSC中，在PdSQDSSC中，该钴配合物离子电解质比常用的Na2S电解质更能有效的产生光电流。

近期，纯有机多硫电解质被用于QDSSC中。Ning等[14]将McMT-/BMT溶于乙腈和碳酸乙烯酯（V/V=6∶4）中制得纯有机多硫电解质，与水体系的多硫电解质相比，它能明显的降低电荷复合而具有更高的效率，主要体现在电池的开路电压和填充因子有明显提高。他们将纯有机电解质四甲基硫脲用于量子点敏化太阳能电池中，该电解质降低了电解质/对电极间的阻抗，使得电池的填充因子有明显提高，并能显著增加光电压，使得电池的转化效率比使用无机电解质的高3倍[15]。

基于有机无机溶剂的电解质容易挥发，而由高导电率，常温下不易挥发的熔融盐组成的离子液体电解质能提高电池的稳定性。Jovanovski等[16]通过1-丁基-1-甲基吡咯烷氯化物与Na2S·9H2O进行离子交换制备吡咯烷鎓离子液体电解质，基于该电解质的CdSe量子点敏化太阳能电池的转化效率为1.86%，并能保持10d的稳定寿命。

当前，在QDSSC的转化效率不高的情况下，液态电解质仍然是QDSSC电解质的主要研究方向，缺乏高效稳定的液态电解质是QDSSC面临的主要问题。

3 准固态电解质

液态电解质存在着易挥发的缺点，会很大程度影响电池的稳定性。准固态电解质通过加入固化剂将液态电解质固化，减少液态电解质的渗漏同时具备高的离子电导率。

孟庆波课题组[17]将丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰铵聚合制备的凝胶浸在1M Na2S，1M S的多硫水电解质溶液中形成了准固态电解质，电解质在室温的离子导电率为0.093 S·cm-1，用于CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池中获得了4.0%的效率。

用于QDSSC中的准固态电解质研究很少，主要是由于目前没有合适的QDSSC液态电解质，因此，限制了准固态凝胶电解质的发展。

4 固态电解质

准固态电解质不能彻底解决的稳定性问题可由固态电解质较好的解决。QDSSC的固态电解质可分为无机P型电解质和有机空穴传输导体两类。

4.1 无机P型电解质

无机P型电解质的载流子是空穴，常用的无机P型半导体材料有CuI和CuSCN。

Larramona等[18]在多孔n-型TiO2薄膜上，用薄层CdS量子点作吸收，以透明p-型无机物CuSCN进行孔填充制得固态光伏电池。用LiSCN（或KSCN）预处理能很大提高光电流，可能是硫氰酸盐能改进CuSCN粒间的界面接触或增加极性和电导率。太阳光照的电池效率为1.3%。

Chen等[19]以3-巯基丙基-三甲氧基硅烷（MPTMS）连接CdSe量子点和TiO2，并以CuSCN作为固态电解质制备固态QDSSC，发现MPTMS的水解引入阻挡层，降低TiO2/CdSe界面的复合，增加电池的开路电压。

4.2 有机空穴传输导体

相对无机P型电解质，有机空穴传输材料具有制备简单，材料丰富的优点。

2,2',7,7'-四[N,N-二（4-甲氧基苯基）氨基]-9, 9'-螺二芴（spiro-OMeTAD）是常用的有机空穴传输材料，被用于QDSSC中作为固态电解质[20]。Lee等[21]用spiro-OMeTAD制备了固态PbS和CdSQDSSC，获得了超过1%的转化效率。Chi等[22]发现界面改性剂双（2,4,4-三甲基戊基）膦酸和苯硫酚衍生物可用于量子点敏化电极与spiro-OMeTAD的界面，提高固态QDSSC的效率。

Qian等[23]用聚-3已基噻吩（P3HT）作为空穴传输导体制备了固态CdSQDSSC，发现P3HT能够辅助吸光并激发电子注入到二氧化态中，在AM1.5 G（100mW·cm-2）的条件下获得1.42%的转化效率。另有研究表明，在P3HT与量子点敏化电极的界面加入界面改性剂2-氨基-1-甲基苯并咪唑，可以提高固态QDSSC的转化效率[24]。

Barceló等[25]以3,3'''-双十二烷基-四联噻吩作为空穴传输导体制备CdSe固态QDSSC，发现直接连接的凝胶量子点比通过离子吸附与反应的量子点具有更好的效率。退火处理能提高电池的光电流响应。

固态电解质与TiO2多孔膜间存在界面接触，使得电荷传输效率低于液态电解质，因此，固态QDSSC的光电转化效率很低。

5 结语

作为新一代太阳能电池，量子点敏化太阳能电池具有成本低廉、制作工艺简单，理论转化效率高的优点，但目前的转化效率不高，还有很大的研究空间和发展前景。如果能找到高效稳定的液态电解质或开发出高效率的固态电解质，那么QDSSC转化效率的将有很大提高。

［1］O’Regan B.,GrätzelM.,A low-cost,high-efficiency solar cellbased ondye-sensitized colloidalTiO2films［J］.Nature,1991,353:737-740.

［2］YuW.W,Qu L,GuoW,et al.Experimentaldetermination of theextinction coefficientof CdTe,CdSe,and CdSnanocrystals［J］.Chem Mater,2003,15:2854-2860.

［3］Gorer S.,HodesG.Quantum sizeeffects in thestudyofchemicalsolution deposition mechanisms of semiconductor films［J］.J.Phys. Chem,1994,98:5338-5346.

［4］HannaM.C,Nozik A.J.Solarconversion efficiencyofphotovoltaicand photoelectrolysiscellswith carriermultiplication absorbers［J］.J.Appl.Phys.,2006,100:074510-8.

［5］Chang,C.H,Lee,Y.L.Chemicalbath deposition ofCdSquantum dots ontomesoscopicTiO2filmsforapplicationinquantum-dot-sensitized solarcells［J］.Appl.Phys.Lett.,2007,91:053503-053505.

［6］LeeY.L,ChangC.H.Efficientpolysulfideelectrolyte forCdSquantum dot-sensitizedsolarcells［J］.J.Power.Sources,2008,185:584-588.

［7］LiY.F,Pang A.Y,Zheng X.Z.CdSquantum-dot-sensitized Zn2SnO4solarcell［J］.Electrochim Acta,2011,56（13）:4902-4906.

［8］Chen J,Song J.L,Sun X.W,et al.An oleic acid-capped CdSequantum-dot sensitized solar cell［J］.Appl.Phys.Lett.,2009,94（15）: 153115-3.

［9］Tubtimtae A,Wu K.L,TungH.Y,et al.Ag2Squantum dot-sensitized solarcells［J］.Electrochem Commun,2010,12（9）:1158-1160.

［10］Santra P.K,Kamat P.V.Mn-doped quantum dot sensitized solar cells:a strategy to boost efficiency over 5%［J］.J.Am.Chem.Soc., 2012,134:2508-2511.

［11］Li L,Yang X.C,Gao J.J,et al.Highly efficient CdS quantum dot-sensitized solar cellsbased on a modified polysulfide electrolyte［J］.J.Am.Chem.Soc.,2011,133:8458-8460.

［12］TachibanaY,AkiyamaH.Y,Ohtsuka Y.CdSquantum dotssensitized TiO2sandwich typephotoelectrochemicalsolarcells［J］.Chem. Lett.,2007,36（1）:88-89.

［13］LeeH.J,Chen P,Moon S.J,etal.RegenerativePbSand CdSquantum dotsensitized solarcellswithaCobaltcomplexasholemediator［J］.Langmuir,2009,25（13）:7602-7608.

［14］Ning Z.J,Tian H.N,Yuan C.Z,et al.Pure organic redox couple for quantum-dot-sensitized solar cells［J］.Chem.Eur.J.,2011,17: 6330-6333.

［15］Ning Z.J,Yuan C.Z,Tian H.N,etal.Type-IIcolloidalquantum dot sensitized solar cellswith a thioureabased organic redox couple［J］. J.Mater.Chem.,2012,22:6032-6037.

［16］Jovanovski V,Gonza lez-Pedro V,Gimenez S,et al.A sulfide/polysulfide-based ionic liquid electrolyte for quantum dot-sensitized solar cells［J］.J.Am.Chem.Soc.,2011,133（50）: 20156-20159.

［17］Yu Z.X,ZhangQ.X,Qin D,et al.Highly efficientquasi-solid-state quantum-dot-sensitized solar cellbased on hydrogelelectrolytes［J］.Electrochem Commun,2010,12:1776-1779.

［18］LarramonaG,ChoneC,Jacob A,et al.Nanostructured photovoltaic cell of the type titanium dioxide,cadmium sulfide thin coating,and copper thiocyanate showing high quantum efficiency［J］.Chem. Mater.,2006,18（6）:1688-1696.

［19］Chen G.B,Wang L,Zou Y,et al.CdSe quantum dots sensitized mesoporous TiO2solar cellswith CuSCN as solid-state electrolyte［J］.J.Nanomater,2011,2011:269591-5.

［20］Ardalan P,BrennanT.P,LeeH.B.R,et al.Effectsofself-assembled monolayers on solid-state CdS quantum dot sensitized solar cells［J］.ACSnano,2011,5（2）:1495-1504.

［21］Lee H.J,Leventis H.C,Moon S.J,et al.PbS and CdS quantum dot-sensitized solid-state solar cells:“old concepts,new results”［J］.Adv.Funct.Mater.,2009,19:2735-2742.

［22］ChiC.F,Chen P,Lee Y.L,et al.SurfacemodificationsofCdS/CdSe co-sensitized TiO2photoelectrodes for solid-state quantum-dotsensitized solar cells［J］.J.Mater.Chem.,2011,21：17534-17540.

［23］Qian J,Liu Q.S,LiG,etal.P3HTashole transportmaterialand assistant lightabsorber in CdS quantum dots-sensitized solid-state solarcells［J］.Chem.Commun,2011,47:6461-6463.

［24］BalisN,DracopoulosV,StathatosE,etal.A solid-statehybrid solar cell made of nc-TiO2，CdS quantum dots,and P3HT with 2-amino-1-methylbenzimidazole as an interfacemodifier［J］.J. Phys.Chem.C.,2011,115（21）:10911-10916.

［25］BarcelóI,Campi?a J.M,Lana-Villarreal T,et al.A solid-state CdSequantum dotsensitized solar cellbased on aquaterthiophene as ahole transportingmaterial［J］.Phys.Chem.Chem.Phys.,2012, 14（16）:5801-7.