量子点的后修饰及其光伏特性的研究

This project is aimed at several key scientific issues in quantum dots sensitized solar cells (QDSSC), such as the high defect density inside quantum dots (QDs) and the rapid corrosion of the QDs caused by electrolyte. Interface modification of the inorganic ligand after non-site synthesized QDs absorbed by nanoporous photoanode, along with the corrosion and mismatch problems in QDs / electrolyte system will be systematically studied. Main research will focus on the post-modification of I (Cl or Br and so on) atom ligand for PbS QDs in QDSSC, as well as the interface structure and photovoltaic properties of QDs / iodine electrolyte interface. The effect and mechanism of the defects reduction and suppression of electrolyte corrosion by QDs inorganic ligand post-modification will be studied. And a theoretical model will be established by study the acting mechanisms of this post-modification on interfacial electron process, including charge separation, electron injection and transportation, electron quenching and charge recombination. On this basis, a study on QDs absorption / QDs post-modification alternating multi-treatment and structure of co-sensitization will be carried out. By using QDs post-modification to reduce QDs defects and inhibit the corrosion of electrolyte, and in the meantime using multi-treatment or co-sensitization structure to expand and enhance the absorption of solar spectrum, a QDSSC device with highly efficiency and stability will be fabricated.

本项目针对量子点敏化太阳能电池（QDSSC）中量子点缺陷密度高和电解质对量子点的腐蚀等若干关键科学问题，拟系统研究QDSSC电池器件中非原位合成的量子点在纳米多孔光阳极吸附后的无机配体的界面修饰（量子点的后修饰）及量子点/电解质体系的腐蚀和匹配问题等，重点开展QDSSC电池器件中PbS量子点的I（Cl或Br等）原子配体的后修饰和量子点/碘电解质界面结构及其光伏特性的研究，研究量子点无机配体后修饰对降低缺陷和抑制电解质腐蚀的影响及其机理，研究其对电荷的分离和电子正向注入及传输、电子淬灭及电子反向复合等界面电子过程的作用机制并建立相关的理论模型等。在此基础上开展量子点的吸附/量子点的双体系后修饰多次复合处理与复合敏化结构的研究，通过量子点的后修饰降低量子点中的缺陷和抑制电解质的腐蚀，通过量子点的双体系修饰和复合敏化结构来拓宽光谱吸收范围增强光吸收，制备高效稳定的QDSSC电池器件。

新型窄带隙吸光材料（量子点与钙钛矿材料等）的化学稳定性是光电功能材料与器件研究领域面临的重要课题。本项目针对量子点敏化太阳能电池（QDSSC）中量子点缺陷密度高和电解质对量子点的腐蚀等若干关键科学问题，重点开展了①新型卤素离子配体用于量子点胶体溶液的配体交换反应及其作用机制的研究和②碘离子配体交换调控电解质稳定性的研究等。 研究了量子点的无机卤素配体的非原位配体交换过程，成功制备了I-、Br-、Cl-稳定的CdSe量子点和PbS量子点溶液。研究了不同卤素离子配体与CdSe、PbS QDs的作用机制，I-与Cd2+、Pb2+之间的配合作用最强，具有最优的稳定效果。通过电泳沉积法制备的QDs薄膜，比直接吸附法的吸附量更大，有利于提高器件的短路电流。在此基础上进一步开展了碘离子配体交换调控电解质稳定性的研究。通过碘离子配体包裹QDs，抑制QDs表面缺陷态，可以调控电池器件在碘电解质中的稳定性，且QDs与TiO2、QDs与电解质之间的电荷转移也得到明显提高，从而制备了具有高开路电压的稳定器件等。. 在上述研究成果的基础上，进一步拓展了研究内容，开展了高效率钙钛矿太阳能电池敏感环境（水氧环境、紫外光照、湿法制备、变温或加热等）条件下的化学稳定性问题及其调控的研究。本项目率先研究了水氧/UV光照对钙钛矿薄膜的腐蚀作用和Al2O3的界面修饰对抑制水氧腐蚀的调控作用及其机制等（参见 J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 705-710，Web of Science 高被引论文 ）。受JMCA期刊之邀基于本组的工作撰写了钙钛矿型太阳能电池化学稳定性的研究进展综述（参见J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 8970-8980，Web of Science高被引论文）。. 项目执行期间共发表SCI论文28篇，主要发表在JACS，EES，AEM，JMCA等重要期刊上，其中4篇为web of science 高被引用论文。项目期间共申请中国发明专利6项。项目的研究成果为调控高效率量子点敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的薄膜界面结构及其化学稳定性提供了科学依据。