宽光谱吸收、高电子输运效率有机/无机体异质结太阳电池材料及器件的研究

综合考虑有机、无机材料的优缺点，并充分利用这两类材料的优点制备有机/无机纳米复合结构太阳电池已成为当前研究的一个新领域。但在这类太阳电池中存在电子的输运效率低，且不能实现宽光谱吸收的不足，从而制约了这类太阳电池的发展。本课题以项目负责人在Nano Letters（IF:10.37）上发表的文章为基础，利用新技术制备一维有序纳米结构ZnO、窄带隙多尺寸量子点及有机/无机活性层，并将其应用到有机太阳电池中。重点研究一维有序纳米结构ZnO及多尺寸量子点生长动力学、形貌学、电学、光学特性及其对电池性能的影响，研究不同制备方法下的活性层对激子的产生、扩散、解离及载流子输运的影响，特别是深入研究载流子及激子在界面处的特性，研究载流子在太阳电池内部的传输过程，以及电池的制备工艺对电池性能的影响。最终目标是实现界面特性的提高、载流子输运的增强、光谱吸收的拓宽以及电池制备工艺的改进，进而实现电池效率的提高。

以有机太阳电池及染料敏化太阳电池为代表的第三代太阳电池，因其具有成本低、取材广、制备简单、理论效率较高、环境友好等特点而备受关注，但也存在电子输运效率低、光谱的利用范围窄的不足。为了实现宽光谱吸收，项目开展如下的研究工作：①利用稀土掺杂半导体的上、下转换发光材料；②利用稀土掺杂氮（氧）化物及三氧化二铝下转换发光材料；③利用多尺寸（核壳）量子点。为实现高电子输运效率，项目开展了如下研究工作：①利用一维有序纳米结构宽禁带半导体；②利用石墨烯。在详细研究上述材料特性的基础之上，重点研究材料对电池的光谱响应及电子输运效应的调制机理、载流子在电池内部传输机制以及电池的制备工艺对电池性能的影响。项目最终实现了载流子输运的增强、光谱吸收的拓宽、电池制备工艺的改进及电池效率的提高，最高达到了5.13%。本项目的研究结果对于太阳电池效率的提升、工作机理的完善方面具有一定借鉴意义。