能源与人类社会的生存与发展休戚相关。二十世纪现代工业突飞猛进的发展，以及人们生活水平和生活质量的提高使得能源需求日趋紧张，并对能源提出了更高的要求^[1] 。风能、潮汐能、沼气能、太阳能等新能源的开发和利用已逐步渗透到人们的生活中，其中太阳能是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源^[2] 。在太阳能的利用中，发展较快也较多的是利用光伏效应制成的太阳电池。据估计，一年内到达地球表面的太阳能总量是目前世界主要探明能源储量的一万倍。太阳能不仅是一种取之不尽，用之不竭的能源，同时，也是清洁能源、无污染，不影响地球的生态平衡等特点，而这些是常规能源无法比拟的，因此具有独特的优势和广阔的开发前景。正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对太阳能电池进行研究与开发。

太阳电池是直接把太阳辐射能转换成电能的装置，它是基于半导体器件的光生伏打效应的原理进行能量转换的。19世纪50年代，Bell实验室制备了首个晶体硅太阳电池，能量转换效率达6%左右^[3]，在过去的几十年中，硅电池得到了很快的发展，光电转化效率从上世纪年代贝尔实验室的6%发展到如今的26.3%^[4]。然而，单晶硅电池的高成本限制了其大面积应用，如制造过程中的高能耗（髙温、高真空）、硅材料的纯度要求高（99.999%）、材料用量大（500μm以上才具有光伏效应），并且不易进行大面积柔性加工。总的说来，硅电池高昂的成本限制了其大规模使用和民用化。

为降低成本，基于薄膜及溶液沉积技术的第二代太阳电池应运而生。目前，第二代太阳电池主要包括无机薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池（DSSC）和聚合物太阳能电池（PSCs）。第二代太阳电池的主要特点是薄膜化，成本较第一代电池低，这是由于光电材料薄膜层的应用大大减小了半导体材料的消耗，并且利用溶液沉积技术制备的电池器件，为大面积低价太阳电池的制作提供了可能，但不足之处是效率较第一代电池明显降低。其中，目前研究较多的无机薄膜太阳电池主要有非晶硅（a-Si）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CuInGaSe）和砷化镓（GaAs）等材料制作的电池。碲化镉（CdTe）及铜铟镓硒（CuInGaSe）是很有希望的高效薄膜太阳电池材料。如CdTe薄膜太阳能电池实验室最高转换效率可达到22.1％，大面积电池组件的转换效率最高可达到18.6％，均由First Solar公司研发制得^[5-6]。CuInGaSe薄膜太阳能电池实验室最高效率达到22.9%^[5]，由SolarFrontier制得；大面积电池组件效率最高达到18.72%^[6]，由汉能公司制得。但是，CdTe中的Cd是一种对人体有害的物质，而CuInGaSe中的Se在地壳中的含量非常稀少，并且进行大面积精确控制的工艺也非常复杂。器件制作工艺复杂、成本昂贵，这些都不利于器件的大规模制作和应用。而DSSC存在染料成本高和稳定性不佳的问题。

在此背景下，量子点敏化太阳能电池（QDSC）应运而生。与传统DSSC的染料相比，量子点材料具有价格低廉、光量子产率高、带隙可调、热载流子寿命长、吸收范围宽广和较为稳定等诸多优点^[7-9]，使得QDSC的最高理论转换效率可达44%^[10]，并具有长期稳定性。量子点敏化太阳能电池是在DSSC的基础上发展而来的，工作原理大体相同。差别在于用宽带隙、低价格的半导体量子点CdS、CuInS₂代替价格昂贵的有机染料。最近，QDSC的转换效率已经从低于1%快速提高到6%以上^[11]，但依然与其理论转换效率存在着很大差距。其主要原因在于光生电子在QDSC各个界面间传输时受到量子点和光阳极材料（主要是TiO₂多孔膜）缺陷以及导电玻璃基底与电解液直接接触等因素的影响产生严重的复合，从而使得光生电子的利用率较低。因此，研究出更多特定结构的光阳极材料，减少光生电子的复合，从而提升效率，将成为QDSC未来发展的方向。

ZnO是II-VI族化合物典型的半导体材料，在室温下的禁带宽度为3.37eV，具有优异的光电性能，是一种直接宽带隙的半导体材料^[12]。一些特定结构的ZnO纳米材料会大幅度提升光电器件的性能。近年来，ZnO纳米棒阵列逐步取代TiO₂被广泛地应用于QDSC电池的光阳极材料中。相较于传统的TiO₂光阳极材料来说，ZnO纳米棒材料具有很高的电子迁移率（205-1000），这比TiO₂（0.1-4）要高几个数量级，有利于光生电子的输送；同时ZnO还具有较高的导带底电位，能够减少光生电子的复合，从而获得较大的开路电压；特定的ZnO纳米阵列能够增大入射光的散射，大范围地增加光生电子的捕获率；提升了光生电子的传输效率。ZnO将有望取代TiO₂成为QDSC领域最具代表性的光阳极材料。自然界中的ZnO总共有纤锌矿、闪锌矿和氯化钠式八面体三种晶体结构。三种结构中，六方纤锌矿结构最为稳定，含量最丰富；QDSC光阳极材料中的ZnO纳米棒材料也是这一结构。

CuInS₂是典型的I-III-VI族元素中的三元化合物半导体材料，属于直接带隙的半导体材料，其禁带宽度为1.5eV，这使得它能够和太阳光谱的间具有较佳的匹配度。CuInS₂材料还具有较强的光热稳定性，抗干扰性较强，可以提升量子点敏化太阳能电池光阳极的使用寿命^[13]。除此之外，和CdS、PbS等半导体量子点材料相比，CuInS₂的毒性相对较低，是很好的环保材料，在大力提倡低碳环保理念的今天，CuInS₂在量子点敏化太阳能电池领域具有很广阔的应用前景，有望取代CdS等成为QDSC电池理想的敏化剂。

目前为止，一共发现了三种不同的CuInS₂的晶体结构。在不同的温度下CuInS₂会呈现出不同的晶型结构^[14]。当温度小于980℃时，CuInS₂为正方晶系的黄铜矿结构，由S和Cu、In两种面心立方格子相互嵌套而成；当温度范围在980℃~1045℃之间时，CuInS₂为立方晶系的闪锌矿结构，属于面心立方格子；当温度范围在1045℃~1090℃之间时，CuInS₂又会变为为六方纤锌矿结构^[15]。此外，通过改变Cu和In的掺杂比例，便能够改变其导电性，同时能够保证其结构基本没有变化，这就使得CuInS₂具有很好的稳定性。

因此，基于CuInS₂量子点敏化ZnO纳米棒阵列作为太阳能电池的光阳极材料，不仅能够进一步拓宽对太阳光谱的吸收范围，提高太阳光的利用率，还能够提升其稳定性，延长电池的使用寿命。在大力倡导低碳环保的今天，CuInS₂量子点敏化ZnO纳米棒光阳极材料具有很重要的研究价值和广阔的应用前景。

本课题采用ZnO纳米材料为光阳极材料，在ZnO纳米棒薄膜上沉积CuInS₂量子点。通过水热法在FTO导电玻璃导电面上生长ZnO纳米棒阵列，通过溶剂热法，将CuInS₂量子点沉积到ZnO纳米棒薄膜上，制备出CuInS₂量子点敏化ZnO纳米棒光阳极；对制备的光阳极材料进行XRD、SEM、TEM和UV-Vis测试分析，研究不同沉积时间对CuInS₂量子点的形貌和尺寸的影响，以及沉积前后吸收光谱的范围的变化。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容