｜量子點於染料敏化電池模組開發與應用

摘要：本文主要介紹量子點在染料敏化太陽能電池中的開發與應用。量子點具有的量子侷限效應、多激子激發效應以及次能帶效應，使其可以替代染料作為染料敏化電池的敏化劑，有助於實現全光譜吸收並將電池理論效率提升到44 %，開發前景廣闊。另一方面，作為染料敏化電池的對電極，隨著奈米尺寸的對電極材料日益受到關注，量子點的研究也開始展開，可以期待不久的將來會有更多量子點材料應用到對電極上。

Abstract: Developments and applications of QDs for DSCs were discussed in this manuscript. Due to the unique effect, such as quantum confinement, multiple excition generation (MEG), and subband, QDs is considered an ideal candidate as the sensitizer for the DSCs. Modulation of band energies through size can help control photoresponse and photo conversion efficiency, and with the help of MEG, the theoretical maximum efficiency can reach 44 %. On the other hand, introducing nanostructure material into counter electrode has been attracting more attentions, the study of QDs works as the catalyst is also worth developing in the future.

關鍵詞：太陽能電池、染料敏化電池、量子點、敏化劑

Keywords：Solar cell, Dye-sensitized solar cells, DSCs, Quantum dots，QDs, Sensitizer

前言
染料敏化電池（dye-sensitized solar cells，DSCs），是1991年由瑞士Grätzel教授所提出的一種新式第三代奈米薄膜太陽電池，因其原料成本低、製程容易，設備簡單，受到了廣泛關注，目前DSCs的最大效率已經超過12 % [1]。
染料敏化電池主要由作為奈米多孔隙半導體陽極、敏化劑、氧化還原電解質、對電極（作為陰極）等幾部分組成，其中奈米多孔隙半導體陽極薄膜通常為金屬氧化物（二氧化鈦、二氧化錫、氧化鋅等），使用多孔隙材料可以增加吸收染料的表面積，正負極間填充的是含有氧化還原電對的電解質，最常用的是I3-/I-，對電極則通常是在帶有透明導電膜的玻璃上鍍上白金，作為催化劑。染料敏化電池區別於其他太陽能電池最大的一點，就是其電子傳輸、光吸收以及電洞的傳輸過程均是在不同的材料中發生[2]。

作為模組，染料敏化電池有一些矽電池不具備的優點，具大尺寸、量產製程的能力。比如可以做成用於門窗的透明電池，可以製作出裝飾性較強的各種顏色和圖案，還可以做成便於攜帶和安裝的柔性可饒式模組。由於電池本身對光入射角不敏感，因此，一方面電池可安置在建築物的牆上，不用佔用太多空間；另一方面電池對弱光有明顯的光電反應，在早晚和陰天尤其能夠體現出相對於矽電池的優勢。圖1給出了該電池做成模組後的一些應用[3]。

但是，傳統染料敏化電池有自身的侷限，在成本方面，目前較常用的染料N719是釕金屬化合物，釕為稀有金屬，且染料的純化製備程序複雜，發展十數年來，成本仍然居高不下，為了克服成本於與原料稀少的問題，近年內有不少科學家致力研究不含貴金屬的純有機染料；在光吸收方面，染料敏化劑存在的一個共同問題是吸收光譜的範圍比較窄，比如N719對540 nm左右波段有較大吸收效率，高於此波長吸收效率很低，約在720 nm後就完全無光電轉換效應，且有研究顯示，此種基於釕化合物的染料可以實現的理論效率最高只能達到13.8 % [2]；在壽命方面，由於染料敏化電池的氧化還原電解質為液態，存在著腐蝕電極以及不宜封裝的問題，所以導致電池的長期穩定性受到影響，這些都成為染料敏化電池大規模應用的主要桎梏。

為了嘗試彌補染料敏化電池的缺點，量子點作為一種新的敏化劑，開始成為敏化太陽能電池的一個研究熱點，而更多的奈米材料也被運用到對電極的研發中。本文將著重從量子點在染料敏化電池中作為敏化劑以及在對電極中作為催化兩個方面入手，闡述量子尺寸材料在染料敏化電池中的應用。