CdS/CdSe 共增感高效率量子點敏化太陽能電池

成大研發快訊 - 文摘 1 of 3 圖1.不同條件之量子點吸附於TiO₂薄膜之UV-vis吸收 光譜 成大研發快訊 _{第二十二卷 第五期 - 2012年六月八日} [ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20120608/3.html ]

CdS/CdSe 共增感高效率量子點敏化太陽能電池

李玉郎

_、羅亦修

Adv. Funct. Mater.,19, (2009) p604-609

前

染料敏化太陽能電池 (Dye-sensitized Solar Cells, DSSCs)是近年來新開發的一種低成 本且高光電轉換效率的太陽能電池[1]_{。本研究利用半導體量子點 (quantum dots,} QDs)作為一種“無機染料”，採用化學浸泡沉積法 (chemical bath deposition, CBD)將CdS、CdSe量子點合成並組裝在奈米中孔性的TiO₂薄膜上，應用於量子點敏 化太陽能電池。 結果與討論： 圖1為CdS、CdSe量子點與CdS/CdSe混合量子點逐層組裝於TiO₂薄膜的紫外光-可見光吸收光譜。結果顯 示，兩種逐層混合組裝CdS與CdSe量子點系統﹙CdSe/CdS，CdS/CdSe﹚的UV-Vis吸收曲線在吸收度上皆 大幅涵蓋CdSe與CdS單獨的強度，表示兩種量子點具有極佳的吸收光譜互補性，預期將CdS和CdSe這兩種 量子點利用逐層混合組裝在TiO₂上來當作光敏化劑，應該可以在量子點DSSC的電池效率上有所提升。 表1列出不同量子點、CBD層數、組裝順序與電池結構之效率﹙η﹚、填充因子﹙F.F.﹚、開路電壓 ﹙Voc﹚、短路電流﹙Isc﹚等特性分析。結果顯示，TiO₂/CdS(3)/CdSe(4)呈現最佳的效 率。TiO₂/CdSe(4)和TiO₂/CdS(4)之電池，效率分別為1.25%和1.15%，前者可得到較高的效率可歸因 圖2. 不同量子點吸附於TiO₂ 薄膜電極製備之QD-DSSC外部量子效率(IPCE)

成大研發快訊 - 文摘 2 of 3 Electrdes η (%) F.F. V_OC (mV) ISC (mA/cm2) TiO₂/CdS(4) 1.15 0.4 466.2 6.2 TiO₂/CdSe(4) _{1.24 0.31 462.3 8.7} TiO₂/CdS(3)/CdSe(4) 2.9 0.46 451.6 14 TiO₂/CdSe(4)/CdS(1) 0.43 0.19 466.6 4.8 TiO₂/CdSe(4)/CdS(3) _{0.24 0.18 434.6 3.2} TiO₂/CdS(3)/CdSe(4)/ZnS,Pt 3.7 0.47 504.6 15.6 TiO₂/CdS(3)/CdSe(4)/ZnS,Au 4.22 0.49 513.7 16.8 於CdSe有較寬廣的吸收範圍，導致較大的Isc， 而FF較低是由於CdSe的導帶能階位置較TiO₂略低造成電荷流動的阻力較大。

圖2為不同QD-DSSCs之IPCE，TiO₂/CdS(4)系統之IPCE值超過50%，而TiO₂/CdSe(4)系統只有30%，表 示CdS產生的光電子比CdSe量子點的光電子可更有效地注入TiO₂被電極所收集。而當CdSe沉積

在TiO₂/CdS電極上(TiO₂/CdS /CdSe)時，較單獨吸附CdS和CdSe之電極具有更高的IPCE。此 外，CdS和CdSe在短波長的區域(<500nm)均可被光激發，CdSe的加入造成IPCE的上升，可能來自

於CdSe在吸收光範圍的貢獻，也意謂著在TiO₂ 和CdSe之間的CdS不會抑制被激發的電子從CdSe傳輸

到TiO₂。即CdS有助於從CdSe光電子的收集。另一方面，當CdS沉積在TiO₂/CdSe上，TiO₂/CdSe /CdS系統 的IPCE會比TiO₂/CdS和 TiO₂ /CdSe的IPCE還要低，表示CdSe層加入到TiO₂和CdS之間不利於光電子的傳 輸，無法達到共增感效應。

圖3a顯示TiO₂、 CdS和CdSe單獨存在時之能階分佈狀態，可以發現CdSe的LUMO位置低於CdS的能階位 置，CdSe照光所激發出來的光電子無法順利注入到TiO₂的導帶。反之，若依照TiO₂/CdS/CdSe這種排列方 式，此兩種量子點的費米能階會發生重排效應，不同高低之費米能階會往中間平衡位置移動直到一 致，CdSe的LUMO位置會因此提昇到比CdS的LUMO位置還要高，如圖3b。因此CdSe照光所激發出的光電 子可以順利注入TiO₂光電極，此種階梯狀串聯 (cascade)的能階排列能幫助電子電洞更有效率的分離並促進 光電流及FF有很大幅度地增加。反之，在TiO₂/CdSe/CdS這種組裝方式，由於外層CdS之LUMO位置會因 為費米能階重排的效應而下降到比內層CdSe之LUMO位置更低的位置，導致CdS激發的電子無法順利傳 遞。另一方面CdSe的HOMO位置比CdS的高，存在於CdSe價帶的電洞也無法傳遞到CdS的價帶進一步被電 解液還原，使得CdSe照光激發的電子會很輕易地與自身的電洞發生再結合，造成FF及光電流大幅下降。因 此，雖然此種系統在可見光吸收有不錯的互補性，但由於兩者能階排列不利電荷傳遞導致其電池效率不如 預期。 由於ZnS可以有效減少光腐蝕效應對量子點所造成的衰退，本研究將ZnS沈積在TiO₂/CdS(3)/CdSe(4)電極 後，結果發現其F.F.、VOC和ISC都有提升作用，最佳效率也由2.90%提升至3.70%(列於表1)。 表1. QD-DSSCs不同光電極之電池電性參數

成大研發快訊 - 文摘

3 of 3

圖3. TiO₂、CdS及CdSe費米能階(a)未調準排列前(b)費米能階調準排列後關係圖

由於Pt對碘的還原具有較佳的穩定性及催化活性，故常被用來作為DSSC的對電極。但根據CV(cyclic voltammetric)量測的結果發現硫離子容易吸附在白金上。我們以金取代白金作為對電極應用

在TiO₂/CdS(3)/CdSe(4)/ZnS系統所組裝的電池，使得效率由3.7%提升至4.22% （AM1.5，100mW/cm2）。 表示在多硫成分電解液，金較白金適合用來當對電極。

參考文獻