孫 碩，李英品，孫 寶，范龍雪，王尚鑫，裴 娟，郝彥忠

(河北科技大學(xué)理學(xué)院，河北石家莊 050018)

CdTe包覆TiO2納米棒殼核結(jié)構(gòu)有序陣列與P3HT雜化太陽(yáng)電池研究

孫 碩，李英品，孫 寶，范龍雪，王尚鑫，裴 娟，郝彥忠

(河北科技大學(xué)理學(xué)院，河北石家莊 050018)

采用水熱法在含氟二氧化錫導(dǎo)電玻璃(FTO)上制備了有序的金紅石型TiO2納米棒陣列，在TiO2納米棒陣列上電沉積CdTe納米晶構(gòu)成了CdTe包覆TiO2殼核式納米棒陣列(CdTe/TiO2)，然后將聚3-己基噻吩(P3HT)的氯苯溶液旋涂到CdTe/TiO2殼核式納米棒陣列上構(gòu)成P3HT包覆CdTe/TiO2殼核式納米棒陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)(P3HT/CdTe/TiO2)，在P3HT/CdTe/TiO2殼核式納米棒陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)上使用離子濺射法噴鍍Au膜構(gòu)制Au-P3HT/CdTe/TiO2結(jié)構(gòu)的雜化太陽(yáng)電池，實(shí)驗(yàn)測(cè)得以Au-P3HT/CdTe/TiO2結(jié)構(gòu)組裝的雜化太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率為0.91%。

雜化太陽(yáng)電池；核殼式納米結(jié)構(gòu)；金紅石型TiO2納米棒陣列；CdTe納米晶；P3HT

能源問題是一個(gè)世界性的焦點(diǎn)問題，太陽(yáng)電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為方便的電能，是理想的光電轉(zhuǎn)換裝置[1]。結(jié)合無機(jī)半導(dǎo)體高的載流子遷移速率和有機(jī)半導(dǎo)性聚合物高的光吸收性能的無機(jī)-有機(jī)雜化太陽(yáng)電池，成為近年來的研究熱點(diǎn)[2-4]。通常雜化太陽(yáng)電池是由無機(jī)半導(dǎo)體納米晶顆粒和有機(jī)半導(dǎo)性聚合物混合而成[5-8]。這種無序混合結(jié)構(gòu)使得部分光生載流子不具備到達(dá)對(duì)應(yīng)電極的直接傳輸途徑，因而此類雜化太陽(yáng)電池存在難以避免的載流子復(fù)合。近年來，部分研究者嘗試采用一維納米有序陣列代替無序納米晶顆粒[9-12]，在獲得較大比表面積的同時(shí)，提供可預(yù)期的電子-空穴傳輸途徑，為光生電荷的傳輸提供有序的通道，從而提高光電轉(zhuǎn)換性能。最近，筆者成功制備了一些一維有序的無機(jī)-有機(jī)雜化納米結(jié)構(gòu)光活性層(以寬禁帶半導(dǎo)體一維納米陣列為結(jié)構(gòu)支撐，再電沉積窄禁帶半導(dǎo)體，最后電聚合或旋涂p型有機(jī)半導(dǎo)體)[13-19]，應(yīng)用于無機(jī)-有機(jī)雜化敏化太陽(yáng)電池，取得了較好的效果。研究人員用類似的由無機(jī)-有機(jī)雜化一維有序納米結(jié)構(gòu)為光活性層制備了全固態(tài)雜化太陽(yáng)電池，分別為P3HT包覆CdS/CdSe/TiO2核殼式納米棒陣列和P3HT包覆CdSe/TiO2核殼式納米棒陣列，相比于沒有窄禁帶修飾層的P3HT/TiO2雜化太陽(yáng)電池，使用窄禁帶半導(dǎo)體修飾寬禁帶一維有序陣列的雜化太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換效率獲得了提高(分別由0.03%提高到0.48%，由0.22%提高到0.57%)[9,11]。窄禁帶半導(dǎo)體的組成、能級(jí)結(jié)構(gòu)等因素對(duì)雜化太陽(yáng)電池性能有重要影響[2,4,9,20]。CdTe禁帶寬度較窄(約1.5 eV)，吸光范圍較寬，與太陽(yáng)光譜匹配[2,3,20]，使用CdTe作為n型無機(jī)半導(dǎo)體材料，有望提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換性能。

本實(shí)驗(yàn)采用水熱法制備金紅石型TiO2納米棒陣列，在TiO2納米棒陣列上電沉積CdTe納米晶構(gòu)成CdTe/TiO2殼核式納米棒陣列，然后將P3HT的氯苯溶液旋涂到CdTe/TiO2殼核式納米棒陣列上構(gòu)成P3HT/CdTe/TiO2殼核式納米棒陣列，最后使用離子濺射法噴鍍Au膜構(gòu)成Au-P3HT/CdTe/TiO2殼核式有序陣列雜化太陽(yáng)電池，研究了該雜化太陽(yáng)電池的光電性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

K2TeO3·H2O；氨三乙酸三鈉鹽單水合物，P3HT，PEDOT/PSS，鈦酸丁酯，實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水；其他試劑均為分析純，未經(jīng)進(jìn)一步純化。

CHI-660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司提供)；SBC-12離子濺射儀(北京中科科儀股份有限公司提供)；JNL-16G 1 000 ℃管式爐(洛陽(yáng)力宇窯爐有限公司提供)；ZF-3恒電位儀(上海方正電子科技有限公司提供)；KW-4A臺(tái)式勻膠機(jī)(上海鑫有研電子科技有限公司提供)；WDG30光柵單色儀(北京光學(xué)儀器廠提供)；CHF-XQ高亮度光源系統(tǒng)(北京暢拓科技有限公司提供)；263-A電化學(xué)工作站(美國(guó)Elmer Perkin公司提供)；S-4800型發(fā)射場(chǎng)掃描電鏡(FESEM, 10.0 kV，日本HITACHI公司提供)；D/MAX-2500 X射線衍射儀(日本Rigaku公司提供)；IV Test Station 2000AAA太陽(yáng)電池I-V測(cè)試系統(tǒng)(美國(guó)頤光科技公司提供)。

1.2實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 TiO2納米棒有序陣列的制備

TiO2納米棒有序陣列是通過水熱法制備的，具體方法見參考文獻(xiàn)[13]：將45 mL濃鹽酸和45 mL蒸餾水混合均勻，在攪拌中滴加1.5 mL的鈦酸丁酯，倒入已放有FTO的水熱釜中，在150 ℃下反應(yīng)20 h后，取出用蒸餾水沖洗，加熱到450 ℃煅燒1 h，即可得到金紅石型的TiO2納米棒有序陣列。

1.2.2 CdTe/TiO2一維有序核殼結(jié)構(gòu)的制備

CdTe/TiO2一維有序核殼結(jié)構(gòu)是通過電化學(xué)沉積法制備的，具體方法見參考文獻(xiàn)[14]：在50 mmol/L氨三乙酸三鈉鹽單水合物、5 mmol/L K2TeO3及20 mmol/L乙酸銨的水溶液中，以TiO2納米棒有序陣列為工作電極、鉑電極為對(duì)電極、甘汞電極為參比電極的三電極體系在-1.10 V(相對(duì)飽和甘汞電極)下恒壓電沉積不同時(shí)間(1.5，2，2.5，3 h)，在340 ℃下煅燒1 h，制得CdTe包覆TiO2殼核式一維有序納米棒結(jié)構(gòu)，分別表示為CdTe(1.5 h)/TiO2，CdTe(2 h)/TiO2，CdTe(2.5 h)/TiO2，CdTe(3 h)/TiO2。

1.2.3 P3HT/CdTe/TiO2一維有序核殼結(jié)構(gòu)的制備

將P3HT配成15 mg/mL的氯苯溶液，取20 μL滴加到CdTe/TiO2一維有序核殼結(jié)構(gòu)(CdTe(2 h)/TiO2，CdTe(2.5 h)/TiO2)上，于3 500 r/min轉(zhuǎn)速下旋涂50 s，之后置于氮?dú)鈿夥罩?，?50 ℃退火1 h，制成P3HT包覆CdTe/TiO2一維有序核殼結(jié)構(gòu)，表示為P3HT/CdTe(2 h)/TiO2，P3HT/CdTe(2.5 h)/TiO2。

1.2.4 電池組裝

將PEDOT/PSS的水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3%)約20 μL滴加到P3HT/CdTe/TiO2一維有序核殼式納米棒陣列上，于90 ℃干燥0.5 h，制得PEDOT/PSS/P3HT/CdTe(2 h)/TiO2納米結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜。

將P3HT/CdTe/TiO2一維有序核殼結(jié)構(gòu)置于小型離子濺射儀中，9 mA噴金1 000 s，制得Au-P3HT/CdTe(2 h)/TiO2，Au-P3HT/CdTe(2.5 h)/TiO2納米結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜。

將已濺射金膜的銅片與制得的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜緊密接觸，構(gòu)成雜化太陽(yáng)電池。

1.2.5 表征與測(cè)試

采用S-4800型發(fā)射場(chǎng)掃描電鏡(SEM) 觀察樣品形貌和尺寸；采用D/MAX-2500 X射線衍射儀檢測(cè)樣品的晶型，輻射源為Cu靶，λ=0.154 18 nm。在光電化學(xué)測(cè)試中，光源為CHF-XQ高亮度光源，通過WDG30光柵單色儀將其過濾為單色光源，使用263-A電化學(xué)工作站對(duì)光電極進(jìn)行光電化學(xué)研究，所用電解液為0.1 mol/L硫氰化鉀的乙醇溶液或0.1 mol/L硫氰化鉀水溶液，所用參比電極為飽和甘汞電極。采用美國(guó)太陽(yáng)電池I-V測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試雜化太陽(yáng)電池的光伏性能和光照、暗態(tài)下的線性掃描。測(cè)試時(shí)，光由FTO照入P3HT/CdTe/TiO2光活性層，負(fù)極為FTO，正極為銅片。

2 結(jié)果與討論

圖1為不同結(jié)構(gòu)一維有序納米陣列的SEM圖。從圖1 a)中可以看出，水熱法制備的二氧化鈦納米棒，直徑約80 nm，結(jié)構(gòu)均勻，分布較密，垂直度較好。從圖1 b)和圖1 c)中可以看出，沉積2 h的CdTe層為顆粒狀，顆粒大小約為20 nm，形成的CdTe/TiO2殼核式結(jié)構(gòu)依然為一維有序陣列，直徑約為120 nm，與TiO2納米棒直徑對(duì)照，CdTe殼層厚度可能為20 nm，CdTe/TiO2棒各自獨(dú)立，復(fù)合棒之間存在間隙。P3HT旋涂后，從正面看(將圖1 d)與圖1 b)對(duì)比)，P3HT/CdTe/TiO2比CdTe/TiO2表面較光滑，CdTe顆粒界限模糊，有一層較薄P3HT；從側(cè)面看(將圖1 e)與圖1 c)對(duì)比)，納米棒整體變粗，棒間縫隙變小，證明P3HT已滲入陣列之中。

圖1 不同結(jié)構(gòu)一維有序納米陣列的SEM圖Fig.1 SEM images of different one-dimensional ordered arrays

圖2 CdTe(2 h)/TiO2殼核式納米棒陣列的XRD譜圖和EDS譜圖Fig.2 XRD patterns and EDX spectrum of CdTe(2 h)/TiO2 core-shell nanorod array

圖2為CdTe(2 h)/TiO2殼核式納米棒陣列的XRD譜圖和EDS譜圖。從XRD譜圖中可以看到樣品CdTe/TiO2-FTO在23.9°，24.6°，36.2°，37.9°，39.5°，46.6°，51.6°，61.7°，62.9°，65.6°處有衍射峰。參照標(biāo)準(zhǔn)譜圖：SnO2(00-041-1445)，Rutile-TiO2(01-072-4813)，CdTe(01-070-8041)，對(duì)XRD譜圖進(jìn)行分析。排除SnO2衍射峰：24.6°，37.9°，51.6°，61.7°，65.6°，剩余衍射峰分別為23.9°，36.2°，39.5°，46.6°，62.9°，依次對(duì)應(yīng)CdTe的111面、TiO2的101面、CdTe的220面、CdTe的311面、TiO2的002面，特征峰符合標(biāo)準(zhǔn)譜圖且無未知峰。對(duì)CdTe/TiO2的EDS能譜分析的結(jié)果(見圖2 b))、表明其是由原子比例為1∶2的Ti與O和原子比例為1∶1的Cd與Te組成，CdTe/TiO2納米結(jié)構(gòu)的元素組成符合化學(xué)計(jì)量比。

不同納米結(jié)構(gòu)電極的光電流譜圖見圖3。

圖3 不同納米結(jié)構(gòu)電極的光電流譜圖Fig.3 Photocurrent spectra of different nanostructure electrodes

TiO2的光電流譜圖(圖3中的a曲線)表明其光電響應(yīng)范圍為330～420 nm。將TiO2的光電流譜圖(圖3中的a曲線)和CdTe/TiO2的光電流譜圖(圖3中的b，c，d，e曲線)對(duì)比，可以看出：CdTe的包覆使得納米有序陣列的光電響應(yīng)范圍從TiO2的330～420 nm擴(kuò)展為CdTe/TiO2的330～830 nm。不同沉積時(shí)間的CdTe/TiO2的光電流譜圖(圖3中的b，c，d，e曲線)表明，CdTe/TiO2(2.5 h)的光電流最大。P3HT/CdTe(2 h)/TiO2的光電流譜圖(圖3中的f曲線)表明P3HT-CdTe異質(zhì)結(jié)在本實(shí)驗(yàn)的光電活性納米結(jié)構(gòu)中起著核心作用，與沒有P3HT的CdTe/TiO2相比較，它的光電響應(yīng)增強(qiáng)，更明顯的是其響應(yīng)范圍中的較強(qiáng)部分發(fā)生明顯擴(kuò)寬、紅移，與太陽(yáng)光譜更匹配。

圖4為550 nm單色光照下P3HT/CdTe(2 h)/TiO2納米結(jié)構(gòu)電極的瞬態(tài)光電流圖。從圖4 a)中可以看出，0.2 V電極電勢(shì)可能接近太陽(yáng)電池的I-V曲線中的正常工作電壓。此電壓下，P3HT/CdTe(2 h)/TiO2電極顯示了良好的光電特性：較低的暗電流(0.000 7 mA/cm2)，迅速增長(zhǎng)的光電流(0.024 mA/cm2)，穩(wěn)定的光電流。從圖4 b)中可以看出，-1.4 V電極電勢(shì)下，P3HT/CdTe(2 h)/TiO2電極表現(xiàn)出較差的光電特性：暗電流極大(約-0.03 mA/cm2)，光電流較小(約-0.006 mA/cm2)，且暗電流隨時(shí)間增大而增大。綜合圖4 a)和圖4 b)可以看出，P3HT/CdTe(2 h)/TiO2納米結(jié)構(gòu)電極在0.2 V電極電勢(shì)下產(chǎn)生陽(yáng)極光電流，在-1.4 V產(chǎn)生陰極光電流，證明此結(jié)構(gòu)存在p型光活性物質(zhì)和n型光活性物質(zhì)，可以推斷p型光活性物質(zhì)為P3HT，n型光活性物質(zhì)為CdTe/TiO2，在P3HT/CdTe/TiO2核殼式一維納米有序結(jié)構(gòu)中，P3HT-CdTe界面存在p-n界面，該p-n界面可能提高界面附近光生載流子的分離，從而提高該結(jié)構(gòu)雜化太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

圖4 單色光照下P3HT/CdTe(2 h)/TiO2納米結(jié)構(gòu)電極的瞬態(tài)光電流圖Fig.4 Photocurrent transients of P3HT/CdTe(2 h)/TiO2 core-shell nanorod array under monochromatic light

圖5為550 nm單色光照下P3HT/CdTe(2 h)/TiO2納米棒陣列的光電流譜圖和模擬太陽(yáng)光光照與無光照下Au-P3HT/CdTe(2 h)/TiO2-FTO結(jié)構(gòu)固態(tài)雜化太陽(yáng)電池的線性掃描曲線對(duì)比，單色光波長(zhǎng)為 550 nm，電解液為0.1 mol/L KSCN乙醇溶液，相對(duì)飽和甘汞電極。

圖5 單色光照下P3HT/CdTe(2 h)/TiO2納米棒陣列電極的光電流與電極電勢(shì)圖Fig.5 Current-electrode potential plots of P3HT/CdTe(2 h)/TiO2 core-shell nanorod array and current-voltage curves

圖6 不同條件的雜化太陽(yáng)電池的I-V特性曲線Fig.6 I-V curves for different hybrid solar cells

從圖5 a)中可以看出P3HT/CdTe/TiO2核殼式納米棒陣列在0.2～-0.8 V暗電流較小，-0.8 V之后暗電流急劇增大；在0 V和0.2 V較正電極電勢(shì)下產(chǎn)生明顯的陽(yáng)極光電流，在0～-0.4 V陽(yáng)極光電流急速減小，在-0.4～-1.8 V范圍內(nèi)微小的陽(yáng)極光電流漸變?yōu)槲⑿〉年帢O光電流。從圖5 b)中可以看出Au-P3HT/CdTe(2 h)/TiO2-FTO結(jié)構(gòu)固態(tài)雜化太陽(yáng)電池在1～-1.8 V暗電流較小，1～1.8 V暗電流急劇增大；在電壓小于-0.2 V(較正電極電勢(shì)、陽(yáng)極(負(fù)極)相對(duì)陰極(正極)的電極電勢(shì)大于0.2 V)下產(chǎn)生明顯的陽(yáng)極光電流，在電壓-0.2～0.8 V(陽(yáng)極相對(duì)陰極電極電勢(shì)0.2～-0.8 V)范圍內(nèi)電流由陽(yáng)極電流平穩(wěn)變?yōu)殛帢O電流，在比0.8 V更大的電壓(陽(yáng)極相對(duì)陰極電極電勢(shì)比-0.8 V更負(fù))下產(chǎn)生明顯的陰極光電流。將圖5 a)與圖5 b)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)光電流由p-n界面的陽(yáng)極光電流轉(zhuǎn)型為p型光活性物質(zhì)的陰極光電流時(shí)，陽(yáng)極光電流降低的起點(diǎn)位置與降低到較小陽(yáng)極光電流的速度、范圍，分別近似于雜化太陽(yáng)電池線性掃描曲線中電流降低的起點(diǎn)和電流降低至零的速度、范圍，這可能體現(xiàn)了P3HT-CdTe界面的某種特性；而較小陽(yáng)極光電流之后轉(zhuǎn)型為陰極光電流的位置與雜化太陽(yáng)電池線性掃描曲線中的開路電壓不同，可能因?yàn)镻3HT-電解質(zhì)溶液界面和P3HT-Au界面不同。P3HT/CdTe(2 h)/TiO2的I-V線性掃描曲線電壓較低，可能由于CdTe禁帶寬度較小，陽(yáng)極光電流-陰極光電流轉(zhuǎn)型發(fā)生較早，開路電壓低；而CdTe轉(zhuǎn)型區(qū)域較寬，可能是由于CdTe納米晶的尺寸、晶型不夠均一，導(dǎo)致能級(jí)結(jié)構(gòu)不盡相同，能級(jí)不同的納米晶在不同電極電勢(shì)下發(fā)生轉(zhuǎn)型，以至于I-V特性曲線不是理想的驟變的高填充因子的形狀，而是漸變的低填充因子的形狀。若能以更完善的制備工藝制作p-n單層界面納米有序陣列雜化太陽(yáng)電池的n型材料，雜化太陽(yáng)電池的性能可能會(huì)進(jìn)一步提高。

圖6為不同光活性層的太陽(yáng)電池的I-V特性曲線圖，各太陽(yáng)電池的具體特征參數(shù)見表1。

由圖6中的a曲線可以看出，Au-P3HT/CdTe(2 h)/TiO2-FTO結(jié)構(gòu)雜化太陽(yáng)電池的開路電壓為0.53 V，短路電流為6.13 mA/cm2，填充因子為0.28，能量轉(zhuǎn)換效率為0.91%。其中，對(duì)比圖6中的a曲線和b曲線可以看出，PEDOT/PSS代替Au作為陰極之后，開路電壓從0.53 V減少到0.32 V，短路電流從6.18 mA/cm2減少到3.02 mA/cm2，均減少50%左右，PEDOT/PSS-P3HT/CdTe(2 h)/TiO2的能量轉(zhuǎn)換效率(0.27%)僅為Au-P3HT/CdTe(2 h)/TiO2(0.91%)的約30%。這可能因?yàn)椴捎玫腜EDOT/PSS為水溶液，與P3HT薄膜親和性差，而導(dǎo)致電阻過大。對(duì)比圖6中的a曲線和c曲線可以發(fā)現(xiàn)，CdTe沉積2 h比2.5 h的開路電壓和短路電流分別提高了0.3 V和2.71 mA/cm2，Au-P3HT/CdTe(2 h)/TiO2的能量轉(zhuǎn)換效率比Au-P3HT/CdTe(2.5 h)/TiO2提高了2.79倍。這可能是因?yàn)镃dTe太厚，而導(dǎo)致納米棒縫隙較淺，使P3HT滲入較少或者透過CdTe之后到達(dá)P3HT的光更少。對(duì)比圖6中的a曲線和d曲線，其中沒有CdTe的太陽(yáng)電池，其開路電壓和短路電流分別是Au-P3HT/CdTe(2 h)/TiO2的19%和16%，差距很大，說明CdTe的光電性能在此太陽(yáng)電池中起著重要作用，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室之前的工作[13-18]，窄禁帶半導(dǎo)體和p-n界面在此核殼結(jié)構(gòu)雜化太陽(yáng)電池中起著關(guān)鍵作用。

表1 不同光活性層的雜化太陽(yáng)電池的特征參數(shù)Tab.1 Photovoltaic properties of different hybrid solar cells

圖7 Au-P3HT/CdTe/TiO2-FTO太陽(yáng)電池的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Energy level diagram of the Au-P3HT/CdTe/TiO2-FTO solar cell

筆者制備的Au-P3HT/CdTe/TiO2-FTO太陽(yáng)電池的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖7所示，n型寬禁帶半導(dǎo)體TiO2，n型窄禁帶半導(dǎo)體CdTe和p型半導(dǎo)性聚合物P3HT組成高比表面積的雙層結(jié)構(gòu)：核殼結(jié)構(gòu)。光由FTO照入，其中紫外光(波長(zhǎng)380 nm左右，較少)被TiO2吸收，可見光(400～880 nm，較多)被CdTe和P3HT吸收，轉(zhuǎn)化為光生載流子(空穴電子對(duì)和激子)。漂移到異質(zhì)結(jié)界面(CdTe-TiO2，P3HT-CdTe)上的光生載流子在能級(jí)差的驅(qū)動(dòng)下正負(fù)電荷分離，CdTe-TiO2的價(jià)帶能級(jí)差較大，分離動(dòng)力較高，但雙方均為n型半導(dǎo)體，正電荷傳輸能力較差，而且CdTe-TiO2的導(dǎo)帶能級(jí)差小，分離動(dòng)力較小，因此有效的光生載流子分離主要發(fā)生在P3HT-CdTe界面。P3HT-CdTe界面產(chǎn)生正負(fù)載流子分別傳輸?shù)絇3HT(空穴傳輸)和CdTe(電子傳輸)，空穴傳輸至Au產(chǎn)生太陽(yáng)電池的正極電流，電子傳輸?shù)絋iO2再傳輸至FTO或直接沿CdTe殼層傳輸至TiO2納米棒陣列根部，再傳輸至FTO產(chǎn)生太陽(yáng)電池的負(fù)極電流，途經(jīng)TiO2的負(fù)電荷使TiO2處于較負(fù)的電極電勢(shì)狀態(tài)，可能使其更難產(chǎn)生陽(yáng)極光電流。綜上所述，P3HT/CdTe/TiO2有序結(jié)構(gòu)中起主要作用的光活性層為P3HT-CdTe界面，TiO2是支撐材料和可能的載流子傳輸渠道。此結(jié)構(gòu)中，CdTe具有較寬的光吸收范圍，以之作為p-n異質(zhì)結(jié)活性層中首先吸收光的n型材料，能使p-n異質(zhì)結(jié)的近光面產(chǎn)生更多的光生載流子，而非反射；而P3HT/CdTe/TiO2的一維有序結(jié)構(gòu)能使太陽(yáng)電池同時(shí)獲得有序的p-n結(jié)構(gòu)和更大的界面比表面積，從而更好地分離更多的光生載流子。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用水熱法在FTO上制備了金紅石型TiO2納米棒陣列，通過電化學(xué)沉積法在TiO2納米棒陣列上制備了CdTe納米顆粒膜構(gòu)成CdTe/TiO2殼核式納米棒陣列，再用P3HT的氯苯溶液進(jìn)行旋涂構(gòu)成P3HT/CdTe/TiO2殼核式一維有序復(fù)合結(jié)構(gòu)，最后在復(fù)合結(jié)構(gòu)上使用離子濺射法噴鍍Au膜構(gòu)制Au-P3HT/CdTe/TiO2-FTO結(jié)構(gòu)的雜化太陽(yáng)電池，該雜化太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率為0.91%。

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[1]ASIM N,SOPIAN K,AHMADI S,et al.A review on the role of materials science in solar cells[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2012,16(8):5834-5847.

[2]SKOMPSKA M.Hybrid conjugated polymer/semiconductor photovoltaic cells[J].Synthetic Metals,2010,160(1/2):1-15.

[3]WRIGHT M,UDDIN A.Organic-inorganic hybrid solar cells:A comparative review[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2012,107:87-111.[4]范龍雪,王尚鑫,孫 碩，等.有機(jī)/無機(jī)雜化太陽(yáng)電池的研究評(píng)述[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(6):578-589. FAN Longxue,WANG Shangxin,SUN Shuo,et al.Review on organic polymer/inorganic semiconductor hybrid solar cell[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2013,34(6):578-589.

[5]CELIK D,KRUEGER M,VEIT C,et al.Performance enhancement of CdSe nanorod-polymer based hybrid solar cells utilizing a novel combination of post-synthetic nanoparticle surface treatments[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2012,98:433-440.

[6]ZHOU Yunfei,ECK M,VEIT C,et al.Efficiency enhancement for bulk-heterojunction hybrid solar cells based on acid treated CdSe quantum dots and low bandgap polymer PCPDTBT[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2011,95(4):1232-1237.

[7]REN Shenqiang,CHANG Liangyi,LIM S,et al.Inorganic-organic hybrid solar cell:Bridging quantum dots to conjugated polymer nanowires[J].Nano Letters,2011,11(9):3998-4002.

[8]LEE J,JHO J Y.Fabrication of highly ordered and vertically oriented TiO2nanotube arrays for ordered heterojunction polymer/inorganic hybrid solar cell[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2011,95:3152-3156.

[9]XIE Yulong.Enhanced photovoltaic performance of hybrid solar cell using highly oriented CdS/CdSe - modified TiO2nanorods [J].Electrochimica Acta,2013,105:137-141.

[10]BAETEN L,CONINGS B,DHAEN J,et al.Fully water-processable metal oxide nanorods/polymer hybrid solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2012,107:230-235.

[11]WANG Jingyang,ZHANG Tianjin,WANG Duofa,et al.Influence of CdSe quantum dot interlayer on the performance of polymer/TiO2nanorod arrays hybrid solar cell[J].Chemical Physics Letters,2012,541:105-109.

[12]CUI Qi,LIU Changwen,WU Fan,et al.Performance improvement in polymer/ZnO nanoarray hybrid solar cells by formation of ZnO/CdS-core/shell heterostructures[J].The Journal of Physical Chemistry C,2013,117(11):5626-5637.

[13]LI Yingpin,HAO Yanzhong,SUN Shuo,et al.A poly(3-hexylthiophene) modified CdS/TiO2shell-core nanorod array solar cell[J].Rsc Advances,2013,3(5):1541-1546.

[14]HAO Yanzhong,LUO Chong,SUN Bao,et al.Photoelectrochemical performance of a sub-micron structured film with poly(3-methylthiophene) (P3MT)-modified CdTe/ZnO shell-core sub-micron tube arrays[J].Science China Chemistry,2013,56(6):755-762.

[15]HAO Yanzhong,CAO Yinhu,SUN Bao,et al.A novel semiconductor-sensitized solar cell based on P3HT/CdS/TiO2core-shell nanotube array[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2012,101:107-113.

[16]SUN Bao,HAO Yanzhong,GUO Fen,et al.Fabrication of poly(3-hexylthiophene)/CdS/ZnO core-shell nanotube array for semiconductor-sensitized solar cell[J].The Journal of Physical Chemistry C,2012,116(1):1395-1400.

[17]HAO Yanzhong,PEI Juan,WEI Yao,et al.Efficient semiconductor-sensitized solar cells based on poly(3-hexylthiophene)/CdSe/ZnO core-shell nanorod arrays[J].The Journal of Physical Chemistry C,2010,114(18):8622-8625.

[18]孫 寶,郝彥忠,郭 奮，等.P3HT修飾一維有序殼核式CdS/ZnO納米棒陣列復(fù)合膜的光電化學(xué)性能[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2012,28(12):2861-2866. SUN Bao,HAO Yanzhong,GUO Fen,et al.Photoelectrochemical properties of CdS/ZnO shell-core nanorod arrays modified with P3HT[J].Acta Physico-Chimica Sinica,2012,28(12):2861-2866.

[19]郝彥忠，曹寅虎，孫 寶，等.P3HT/CdS/TiO2/ZnO 一維有序核殼式納米棒陣列的構(gòu)制及其在雜化太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2012,70(10)：1139-1144. HAO Yanzhong,CAO Yinhu,SUN Bao,et al.Fabrication of ordered one-dimensional P3HT/CdS/TiO2/ZnO core-shell nanorod array and their application to hybrid solar cell[J].Acta Chimica Sinica,2012,70(10):1139-1144.

[20]LEE H,KIM S,CHUNG W,et al.Hybrid solar cells based on tetrapod nanocrystals:The effects of compositions and type Ⅱ heterojunction on hybrid solar cell performance[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2011,95:446-452.

Research on CdTe-coated TiO2core-shell nanorod ordered arrays and P3HT hybrid solar cell

SUN Shuo, LI Yingpin, SUN Bao, FAN Longxue, WANG Shangxin, PEI Juan, HAO Yanzhong

(School of Science, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Ordered rutile TiO2nanorod arrays are prepared on fluorine doped transparent conductive glass (FTO) by hydrothermal method. CdTe-coated TiO2core-shell nanorod arrays(CdTe/TiO2) are fabricated by electrodepositing CdTe nanoparticles on the TiO2nanorods array. A composite structure of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) coated CdTe/TiO2core-shell nanorod arrays(P3HT/CdTe/TiO2) is formed after P3HT in chlorobenzene solution is spin-coated onto the CdTe/TiO2core-shell nanorod arrays. The hybrid solar cell is wade with the P3HT/CdTe/TiO2core-shell nanorod array composite nanostructure film and Au film sputtered on the composite film. The energy conversion efficiency is up to 0.91% by using the designed hybrid solar cell.

hybrid solar cell; core-shell nanostructure; rutile TiO2nanorod arrays; CdTe nanocrystal; P3HT

2013-12-02；

2013-12-31；責(zé)任編輯：張士瑩

國(guó)家自然科學(xué)基金(21173065,20573031)；河北省自然科學(xué)基金(B2010000856)；河北科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金(QD201050)；河北科技大學(xué)校立科研基金(XL201255) 作者簡(jiǎn)介：孫 碩(1989-)，男，河北威縣人，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體納米材料及光電化學(xué)方面的研究。

郝彥忠教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:yzhao@hebust.edu.cn

1008-1542(2014)03-0279-07

10.7535/hbkd.2014yx03012

O649

A

孫 碩，李英品，孫 寶，等.CdTe包覆TiO2納米棒殼核結(jié)構(gòu)有序陣列與P3HT雜化太陽(yáng)電池研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(3):279-285. SUN Shuo, LI Yingpin, SUN Bao, et al.Research on CdTe-coated TiO2core-shell nanorod ordered arrays and P3HT hybrid solar cell[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(3):279-285.