技術貼太陽能電池怎麼能少了它 在太陽能電池中它又有何優缺點？
CdSe納米材料由於具有光譜覆蓋範圍廣、發光效率高等優點，被廣泛應用於硅基太陽能電池和疊層太陽能電池中，本文介紹了CdSe納米結構在太陽能電池中的應用狀況，討論了CdSe納米材料應用於太陽能電池的優缺點。
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引言
納米材料最重要的兩種特性是量子尺寸效應與表面效應。相對於體材料，當材料尺寸下降到一定數值時，費米能級附近的電子能級由准連續變為離散能級或者能隙變寬的現象被稱為量子尺寸效應。CdSe納米材料的熒光特性極其優良，如果改變微粒的尺寸，CdSe納米材料的熒光光譜能從紅光變化到藍光，其光譜寬度窄且對稱性好，熒光穩定性高，熒光波長可精確控制，抗光致漂白能力較強。CdSe納米材料吸收可見光比硅、GaAs等更加有效，這是因為不同直徑的CdSe納米材料的禁帶寬度能夠覆蓋470-700nm波段。
由於CdSe納米結構具有獨特的光學特徵，從20世紀90年代起全世界科學家就開始重點研究基於CdSe納米結構的太陽能電池，包括在硅基太陽能電池表面生長CdSe薄層、CdSe的疊層太陽能電池以及CdSe複合結構的太陽能電池等。
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CdSe材料在太陽能電池中的應用
當前，單晶硅和多晶硅太陽能電池是太陽能電池的主流市場產品。儘管如此，硅基太陽能電池還是存在明顯不足，包括理論光電轉換效率低，硅基太陽能電池對太陽光中短波部分的利用率極低，且電池容易發熱等。為了提高太陽能電池的光電轉換效率，人們一直在研究能夠代替硅電池的新型太陽能電池。其中基於CdSe的疊層太陽能電池以及CdSe與其他材料結合的太陽能電池是人們研究的熱點之一。
2.1塗布太陽能電池
對於半導體太陽能電池來說（例如硅太陽能電池，Eg=1.1eV）,無論光子能量多高，一個光子最多只能產生一對電子空穴對，而多餘的能量則轉換成了熱，這對於提高電池光電轉換效率顯然是不利的。所以利用納米結構帶隙可調的特徵，可以提高太陽能電池的光電轉換效率，同時也降低多餘能量形成的熱對電池壽命的影響。
在電池表面塗抹具有不同帶隙的納米晶層，能夠有效地提高電池對太陽光的轉換效率，也能有效提高電池的使用壽命。
現在一般由兩種「塗布」方法：
（1）在硅表面旋轉塗抹多層納米結構材料；
（2）在太陽能電池表面首先形成微流體通道陣列，然後再微流體通道中注入含高濃度納米結構材料的溶液。
對於第一種塗布方法，需要在太陽能電池上按照納米結構的尺寸大小順序塗布多層才能產生有限效的光電轉換。而第二種方法可以使太陽能電池得到更高的光電轉換效率。圖1是一種有效地微流體陣列示意圖。利用PDMS在電池表面形成可控的微流體陣列，在陣列中注入CdSe納米晶液體流，然後通過外部驅動讓納米晶溶液在PDMS陣列中流通，納米晶溶液既能有效地吸收紫外光，同時又能帶走電池產生的熱，從而達到降低電池發熱，提高光電轉換效率的目的。
圖1 PDMS微流體陣列示意圖。
Richard等在實驗上實現了表面帶有PDMS微流陣列的硅太陽能電池。
結果表明：當620nm的光照射帶有微流陣列的硅太陽能電池時，電池的光吸收效率達到90%。進一步研究說明，相對於無微流陣列的太陽能電池，當微流陣列中納米晶濃度為12.9g/L，微通道路徑長度為1000μm時，帶微流陣列的硅太陽能電池的最大功率能夠提高10%以上。
Anderson等將CdTe和CdSe納米顆粒依次旋轉塗布在ITO襯底上形成太陽能電池。同時，他們也製造了納米結構和半導體聚合物混合的太陽能電池。這兩種太陽能電池在大氣中不易氧化，在陽光的照射下性能更穩定，光電轉換下料能夠達到3%。
2.2基於CdSe納米結構的疊層太陽電池
Robel等設計了一種基於CdSe納米結構的疊層太陽電池，因為量子尺寸效應的緣故， 禁帶寬度會隨著納米微粒的尺寸的減小而增大。
所以將7.5，4.6，3.5，2.7和2.4nm的CdSe納米晶依次疊放在TiO2襯底上，最外層納米結構尺寸最小二禁帶寬度最大，這樣每一層均吸收高於其禁帶寬度的光子能量，通過層層吸收，光吸收效率達到最佳，同時有效地降低了熱效應對太陽能電池的影響，由此可見，這是一種十分理想的太陽能電池結構，其光電轉換原理圖如圖2所示。
圖2 基於CdSe納米結構的疊層太陽能電池的光電轉換原理圖。
2.3多種材料複合的疊層太陽電池
上述不同尺寸的CdSe納米結構的疊層太陽能電池在一定程度上受到CdSe的最小禁帶寬度的限制，無法實現對波長大於700nm的紅光和紅外光的光電轉換。因此，研究人員展出了多種材料複合的疊層太陽能電池結構。Dayal等[25]報道了基於CdSe四足狀納米顆粒化合物與低能帶寬度聚合物的異質結太陽能電池。在模擬太陽能光源（AM1.5）的照射下，其光電轉換效率達到了3.2%。在350-800nm波段，外量子效率（EQE）均大於30%。而且，得益於聚合物的吸收，在630-720nm波段，EQE達到了55%。
Li等採用晶種生長法合成了CdSe@CdTe四角納米結構，以CdSe納米顆粒為核，以CdSe作為晶種生長的CdTe納米結構作臂。以CdSe@CdTe四角納米結構為基礎設計製備了兩種結構的太陽能電池：ITO/PEDOT-PSS/CdSe@CdTe/Al和ITO/PEDOT-PSS/CdSe@CdTe/C60/Al。ITO/PEDOT-PSS/CdSe@CdTe/C60/Al電池結構和能帶結構的示意圖如圖3所示。
由於CdSe/CdTe界面是半導體的二類能帶結構類型，光生載流子在界面分離，使得太陽能電池的電子空穴自動分離，更有益於載流子的傳輸。而C60作為電子輸運層和空穴阻擋層，能夠有效幫助載流子分離與傳輸。實驗結果表明，該結構只有0.62%的光電轉換效率，但為進一步研究CdSe異質結太陽能電池提供了新的方向。
圖3 ITO/PEDOT-PSS/CdSe@CdTe/C60/Al的器件和能帶結構示意圖：
（a）器件結構示意圖；（b）能帶結構示意圖。
Smith等探索了CdSe納米材料在敏化太陽能電池中的應用。在TiO2襯底上，採用電泳沉積法將CdSe納米材料沉積製備形成太陽能電池。
這種製備方法快速簡易，電泳電壓僅需500V，將TiO2襯底置於CdSe溶液中，幾分鐘內就能形成良好的敏化太陽能電池結構。通過該方法製備的太陽能電池的開路電壓（Voc）為0.36V，短路電流（Isc）為13nA，填充因子（FF）為0.26，最大功率（Pmax）為1.2nW，但光電轉換效率低至10-8。這主要是由於沉積的納米晶厚度太薄，使得電池對光的吸收率太低，所以轉換效率很低。而且這種方法很依賴於CdSe的極性，沉積的CdSe的質量因其表面包覆物的極性不同而有明顯差別。
Im等通過噴霧熱解沉積法將CdSe納米結構沉積在TiO2納米孔洞中形成敏化太陽能電池。但在沉積時容易留下固態的Na2SO4前驅物，一方面，Na2SO4有利於CdSe納米粒子在TiO2納米孔洞上的附著；另一方面，它又阻礙了CdSe納米顆粒的繼續沉積。因此，需要去除多餘的Na2SO4，然後再重複繼續沉積CdSe。這樣製備得到的太陽能電池的光電轉換效率能夠達到3%。但是這種方法成本高，製備效率低，很難實現工業化生產。
核/殼型複合結構是一種新穎的納米結構。它是由一種納米材料通過化學鍵或其他相互作用而將另一種納米材料包覆起來形成的納米尺度的有序組裝結構，是一種更高層次的複合納米結構。這種結構的納米顆粒具有單一納米顆粒難以具有的新穎性能，具有更加廣闊的應用前景，因而受到全世界研究人員的重視。
Seol等通過水熱法製備得到了ZnO/CdS/CdSe核殼結構的太陽能電池。ZnO納米線陣列是電池的基底，能夠提供光生電子有效的直接轉移路徑。而CdSe/CdS殼不僅增強了電池對太陽光的吸收效率，同時也增強了光生載流子的轉移效率，並且CdS層對ZnO納米線有了鈍化作用，降低了表面缺陷的電荷複合速率，通過該方法製備得到的太陽能電池的光電轉換效率達到了4.15%，太陽光利用率接近70%，該結構是一種極具發展潛力的太陽能電池結構。
C60應用到太陽能電池中，因其良好的光學性能，作為傳導電子的材料能夠有效提高太陽能電池的性能。
2008年，Brown等製備了包覆C60的CdSe納米結構，並使用這一結構製備了三種不同結構的CdSe敏化太陽能電池，其電池的電極為光學透明材料，其結構分別為：OTE/SnO2/CdSe-nC60/Pt、OTE/SnO2/nC60/Pt和OTE/SnO2/CdSe/Pt。其中OTE/SnO2/CdSe-nC60/Pt太陽能電池的結構示意圖如圖4所示。
圖4 OTE/SnO2/CdSe-nC60/Pt太陽能電池的結構示意圖。
實驗結果表明：OTE/SnO2/CdSe-nC60/Pt結構的太陽能電池的光電轉換效率能夠達到4%，遠高於另外兩種結構。在該電池結構中，CdSe納米結構被傳導電子材料C60完全包裹，既大大降低了CdSe的表面缺陷，又有效提高了電子的輸運效率。
近二十年的研究中，太陽能電池中CdSe納米結構的應用已經有了長足的進步。在多年的發展過程中，人們研究了CdSe的塗布太陽能電池、完全基於CdSe納米結構的疊層太陽電池、CdSe與有機無機材料複合形成的疊層太陽能電池以及基於CdSe的敏化太陽電池等多種太陽能電池結構。因為CdSe納米結構的禁帶寬度能夠吸收470-700nm波段的光，所以可以提高太陽能電池的光電轉換效率。但是，因為生長質量和製備成本等實際應用問題，CdSe納米結構在太陽能電池中的應用還僅僅停留在實驗階段。
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結論
納米結構的光學性質使得越來越多的研究者開始研究CdSe納米結構在太陽能電池中的應用。科學家在塗布CdSe納米結構的硅基太陽能電池、CdSe疊層薄膜太陽能電池、CdSe 複合結構的疊層太陽能電池以及敏化太陽能電池等的研究上已經取得長足進步。
目前，CdSe的表面包覆物、暴露在大氣中的穩定性、包覆物的透光性、表面態的影響以及CdSe的環境毒性等是CdSe生長和應用中面臨的主要問題。而CdSe光學質量的穩定性和環境毒性則是阻礙CdSe在太陽能電池中應用的主要因素。CdSe已經在硅基塗布太陽能電池盒疊層太陽能電池中得到了廣泛應用，雖然其應用目前還主要停留在實驗室，但是隨著科學技術的不斷進步，CdSe生長技術的不斷創新，CdSe納米結構將憑藉其高產、高可控性以及高光學質量的優勢被實際應用到太陽能電池中。
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