CuInS2量子点的宏量可控合成及其宽光谱吸收太阳电池性能的研究

Semiconductor quantum dots solar cells are predicted to have a maximum attainable thermodynamic conversion efficiency up to 66%. Polymer solar cells based on nanoarrays sensitized with quantum dots of low bandgap semiconductors have expanded absorption spectrum with respect to that of polymer, which is potential for the development of solar cells with wide absorption range. CuInS2 is an ideal photovoltaic material, however, scarce studies on solar cells based on polymer and nanoarrys sensitized with CuInS2 quantum dots (CuInS2-NA) have been reported. On one hand, macroscale and controllable synthesis of QDs is difficult； moreover, the relation between materials structure and device performance is not clear. In order to attain highly efficient polymer/CuInS2-NA solar cells,aimed to the effects of quantum dots structure on device parameters of solar cells with wide absorption range, we plan to synthesiz CuInS2 quantum dots and CuInS2-NA composites by solvothermal method, and the relation between the photovoltaic performance and the structural characteristics of CuInS2 quantum dots (e.g.,crystallographic structure,size) in the solar cells will be studied systemically, with the deep insight into the working principle and charge transfer features in the devices, which is crucially important for optimization of the materials and structure in the efficient devices. Implementation of this project can promote the development of low-cost solar cells.

半导体量子点太阳电池因具有高达66%的热力学转换效率而备受关注。选择低带隙的半导体量子点敏化纳米阵列制作的聚合物太阳电池具有独特的优势，能弥补聚合物吸收范围较窄的缺陷，是一种宽光谱吸收太阳电池。CuInS2是一种理想的光伏材料，然而聚合物与CuInS2量子点敏化的纳米阵列（CuInS2-NA）组成的太阳电池未见报道，主要问题在于量子点的宏量控制性制备困难、材料形态结构与电池器件性能的关系还不清楚。本项目以高效聚合物/CuInS2-NA太阳电池为目标牵引，针对影响宽谱电池性能的量子点结构因素，拟通过溶剂热方法控制性地宏量合成CuInS2量子点以及CuInS2-NA复合材料，系统地研究量子点的晶型、尺寸等对电池光电转换性能的影响，揭示电池的工作原理和影响器件性能的材料结构因素，为聚合物/CuInS2-NA电池材料及器件结构的优化提供科学依据。本项目的实施将促进低价太阳电池的发展。

以氧化物纳米阵列作为电子受体所制作的杂化聚合物太阳电池是一种具有理想结构的太阳电池器件，然而材料的吸收光谱较窄是导致器件效率较低的重要因素。选择窄带隙的无机半导体CuInS2量子点敏化氧化物纳米阵列，并制作聚合物/CuInS2-氧化物太阳电池，能将单一材料的吸收光谱拓宽，是一种宽谱吸收的太阳电池器件。然而，CuInS2的形态结构与电池器件的工作原理和性能的相关性还不清楚。本项目通过溶剂热法控制性地宏量合成了三种晶型（黄铜矿、闪锌矿、纤锌矿）及多种尺寸的CuInS2量子点；并且，在TiO2纳米棒阵列上用溶剂热法沉积了闪锌矿型CuInS2量子点，研究了量子点的尺寸、沉积方式、反应时间等对TiO2-CuInS2复合材料的性能的影响；此外，采用旋涂的方式将CuInS2量子点附着在TiO2或ZnO上，研究了量子点的尺寸、含量的影响。进一步地，制作了多种结构的太阳电池，包括：（1）聚合物/ TiO2-CuInS2太阳电池，研究了量子点的大小、壳层厚度以及不同的沉积方式对电池性能的影响，发现中间厚度（8 nm）的CuInS2壳层所制作的器件可以获得最高的效率；（2）制作了聚合物-CuInS2/TiO2太阳电池，研究了量子点尺寸的变化以及量子点的表面修饰对器件性能的影响，发现大尺寸的量子点（5.4 nm）所制作的器件具有最高的性能，且量子点经表面修饰后可以显著改善器件性能；（3）制备了聚合物-CuInS2/ZnO太阳电池，研究了量子点与聚合物的比例对器件性能的影响，发现以中间比例（R=0.6）所制作的器件可以获得最佳的性能；（4）在聚合物-CuInS2/氧化物太阳电池中，比较了不同晶型的量子点与不同晶系的氧化物之间的匹配对太阳电池性能的影响，发现两者间具有较高的匹配度有利于获得理想的器件性能。最后，探索了这些器件的电荷传输机理，发现聚合物作为主要的光吸收材料及电子供体，CuInS2作为辅助的光吸收材料，而氧化物主要用作电子受体及电荷传输材料。聚合物以及CuInS2吸收光产生的激子将在有机/无机以及无机/无机的界面发生分离。本项目系统地研究了不同尺寸及不同晶型的CuInS2量子点在聚合物/氧化物太阳电池中的应用，证实了CuInS2的尺寸、晶型对电池性能的影响不仅取决于电池结构，还取决于氧化物的种类，为聚合物/量子点-氧化物电池材料及器件结构的优化提供了科学依据。