高效、稳定的ITO@Cu2S纳米线阵列量子点敏化太阳能电池对电极

量子点敏化太阳能电池作为一种新型光电转换器件，凭借无机量子点的量子尺寸效应以及多电子激发效应，使其理论光电转换效率可达44%，因此成为下一代太阳能电池的选择之一。然而其目前的转换效率很低，限制了这类电池的实际应用。除了发展新型光阳极材料外，设计和研究新型、高效的对电极材料，进一步提高对电极材料的催化性能，同时改善对电极材料的稳定性和寿命，对于获得高效、稳定的量子点敏化太阳能电池具有十分重要的意义。

针对传统贵金属Pt或Au对电极材料的高成本与低性能问题，以及高性能金属铜/硫化亚铜对电极易脱落、不稳定的问题，课题组近期设计并制备了一种氧化铟锡(ITO)纳米线阵列与硫化亚铜(Cu₂S)纳米晶复合的三维阵列结构对电极材料。如图1所示，通过首先在导电基底(FTO)上的生长ITO纳米线阵列，然后化学浴沉积包覆硫化镉，再完全转化成Cu₂S纳米晶，形成Cu₂S纳米晶包覆的ITO纳米线阵列结构。高分辨透射电镜表明Cu₂S纳米晶与ITO纳米线之间可以形成非常良好的界面(图2)，电学测试表明这种异质结材料可在太阳能电池运行时形成十分良好的隧道结，从而促进了电子从透明基底到Cu₂S纳晶的有效注入，而通过纳米线阵列这种结构设计，使电子注入到Cu₂S后可以迅速到达电解质界面，因此大大降低了器件电阻；同时这种三维阵列结构的电极可以高效地负载Cu₂S纳晶催化剂，最终使太阳能电池的效率相比传统贵金属电极有了84.5%的更高，相比平面Cu₂S纳晶对电极有了33.5%的提高(图3)。另一方面，由于ITO材料的惰性特性，解决了目前活性最高的金属铜/硫化亚铜对电极容易脱落、无法稳定工作的难题。相关研究工作于近期发表在Nano Lett.,2014, 1, 365-372, DOI: 10.1021/nl404251p。

图1 ITO@Cu₂S纳米线阵列制备过程示意图

图2 ITO@Cu₂S纳米线的SEM和TEM图像

图3 (a) PV-IV曲线；(b) IPCE曲线；(c-d) 阻抗测试