基于新型“太阳能涂料”一步制备PbS量子点敏化ZnO光阳极及其光伏性能研究

Photoanode is the most important part of the quantum dots-sensitized solar cells (QDSSC), and the preparation of the mesoporous TiO2 or ZnO films, especially the deposition of QDs on TiO2 or ZnO matrix, is a performance-determinant step in the construction of QDSSC, but the experimental process is usually complicated, time-consuming and easy to be affected by many factors. To simplify the preparation procedure for photoanode and increase the open-circuit voltage of the QDSSC based on PbS QDs, this project proposes a facile, rapid, and cheap route for the fabrication of QDs-sensitized photoanode based on a solar paint, which was prepared by the in-situ deposition of aqueous PbS colloidal QDs onto suspended ZnO nanoparticles. The photoanode can be obtained by simply brushing the solar paint on a FTO substrate followed by a low-temperature annealing process. This approach integrates the fabrication of mesoporous ZnO film and the deposition of quantum dot in a single step. In addition, the utilization of the n-type ZnO serves not only as an electron transport medium, but also as a passivating agent that suppresses the deep-traps in PbS QD, which could improve the open-circuit voltage of QDSSC. This project will focus on the rapid fabrication of high-performance photoanode and the electron transferring between PbS QDs and ZnO nanocrystals. The influence of the PbS QDs size and surface defects, the mass ratio of PbS QDs/ZnO, and the heat-treatment temperature on the photovoltaic performance of photoanode will be systematically investigated to realize the rapid fabrication of QDSSC with low cost, high efficiency and good stability.

作为量子点敏化太阳能电池（QDSSC）的核心组成部分，光阳极介孔层的制备，尤其是量子点在其表面的沉积，在构筑QDSSC过程中是决定电池性能的关键一步，但实验工艺通常繁琐复杂、耗时较长，且易于受到很多因素影响。为了简化光阳极制备流程，并进一步提高基于PbS量子点的QDSSC开路电压，本项目提出一种简便、快速、低成本制备量子点敏化介孔光阳极的方法—“太阳能涂料”法。这种涂料由水溶性PbS量子点原位生长在悬浮的ZnO颗粒表面构成，将其涂敷于FTO表面经低温热处理可一步实现ZnO介孔层的制备和PbS量子点的沉积；同时，借助ZnO对PbS深能级缺陷的钝化作用可以提高电池的开路电压。项目围绕高性能光阳极的快速制备和ZnO/PbS之间电子转移两个重点，通过系统研究PbS量子点粒径和表面缺陷、ZnO与PbS质量比、热处理温度等因素对光阳极光伏性能的影响，实现低成本、高效率、稳定性好的QDSSC批量制备。

量子点敏化太阳能电池（QDSSC）因制备工艺简单、成本低廉、理论转换效率高、以及量子点（QDs）本身的优异性能（如尺寸效应、多激子效应）等优点，日益引起国内外的广泛关注。QDSSC主要由光阳极、电解液和对电极三部分构成，其中光阳极是整个QDSSC的核心部分，一般由量子点敏化的多孔TiO2或ZnO等宽禁带半导体氧化物构成，氧化物多孔膜的质量以及量子点在其表面沉积情况对于电池转换效率显得尤为重要，也是决定电池性能的关键一步。而对电极除了收集经外电路传输过来的电子外，还对电解液中氧化还原对与对电极之间的电子交换速度起到催化作用，也是影响QDSSC性能的重要部分。本项目以获得高性能QDSSC为目标对光阳极的制备工艺、对电极材料以及载流子的传输动力学过程进行了深入研究，取得了如下成果：1）采用巯基乙酸辅助的水热法首次合成了水溶性胶体CdSexTe1–x合金量子点，并实现了量子点在多孔TiO2 电极表面的一步沉积，这种方法制备的光阳极具有量子点覆盖率高，分布均匀，表面缺陷少的优点。通过改变前驱液中Se2- : Te2-的比例获得了不同组分的CdSexTe1–x合金量子点，实现了在不改变其尺寸的前提下改变其能带结构的目的；2）以金属Ti粉末和Zn粉末为原料，通过化学共沉淀法和煅烧过程合成了Zn掺杂的TiO2颗粒。系统研究了Zn掺杂对TiO2薄膜的形貌、晶体结构、光学性质以及CdS/CdSe敏化电池性能的影响；3）首次采用简易的微波辅助水热法在FTO基底表面沉积了PbS和Cu2-xSe薄膜，并将其作为对电极应用于CdS/CdSe量子点敏化ZnO纳米阵列太阳能电池，显著提高了对电极/电解液界面处的电荷传输效率，最终获得了4.85%的光电转换效率。通过本项目的实施，我们获得了一种制备量子点敏化多孔TiO2光阳极的新方法和新工艺，厘清了CdSexTe1–x合金量子点能级结构与电池性能之间的关系；阐明了Zn掺杂对QDSSC载流子传输动力学的影响；完成了高性能PbS和Cu2-xSe对电极的可控制备，获得了高性能的量子点敏化太阳能电池。同时，我们也取得了丰硕的科研成果，在国际知名期刊发表SCI论文6篇，指导硕士研究生5名。