氧化锌基三波段光感杂化型太阳能电池材料的制备及其光伏性能研究

The development of high-efficiency solid-state excitonic photovoltaic solar cells compatible with solution processing techniques is a research area of intense interest, with the poor optical harvesting in the red and near-IR (NIR) portion of the solar spectrum a significant limitation to device performance. Herein we present a solid-state solar cell design, based on ZnO multi-branch nano-arrays, sensitized with Si quantum dots that absorbs in the red and NIR portion of solar spectrum, and which are uniformly infiltrated with p-type regioregular poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) that absorbs visible photons. This ZnO/Si/P3HT energetic arrangement favors the quick electron transfer from excited P3HT layers to Si and then to ZnO, which ensures an efficient charge separation at the interface. Hence, the Si nanoparticles can serve not only as photosensitizers but also mainly as an energy funnel and/or an electronic mediator to significantly improve the electron injection efficiency from P3HT to ZnO. Such ZnO based tri-band sensitized hybrid solar cell must largely improves the photovoltaic performance.

针对杂化型太阳能电池材料中有机/无机材料相容性差、界面载流子分离和传输效率低的难点问题，本项目拟开展应用于太阳能电池的氧化锌基有机/无机复合材料及其器件的应用基础研究。主要包括软化学法制备多枝状氧化锌纳米阵列，以及官能团功能化的硅量子点在氧化锌纳米阵列中的自组装。在这些量子点修饰的纳米结构中填充有机导电聚合物(P3HT)，形成有机/无机复合纳米网络结构。在该复合材料的设计中，一方面硅量子点作为有机和无机材料间的交联剂，使得氧化锌与有机物接触更加牢固；另一方面硅量子点的引入，降低了ZnO与 P3HT之间的势垒高度，有助于加快电荷的分离和转移。该复合结构中作为光吸收媒介的三种物质可以实现对太阳光的分层吸收，减少多余高能太阳光线产生的热电子消耗，提高对太阳光谱的利用率，最终实现紫外/可见/近红外三波段光感的无机/量子点/有机复合材料太阳能电池。

如何增强杂化型太阳能电池中有机无机材料的相容性、增加二者接触面积、使得载流子有效分离是本基金项目的主要研究方向。自2013年起，针对这一命题，项目组开展了系列实验，取得以下研究成果：制备了多种形貌的氧化锌微纳结构，其中多枝状纳米线结构可以增加载流子的传播路径，增大与有机导电聚合物的接触面积；制备小尺寸硅量子点，经过表面羧酸修饰作为氧化锌与P3HT的交联剂，使有机无机材料连接更稳固；构筑多枝ZnO/Si/P3HT复合材料太阳能电池原型器件，其电池效率明显优于未修饰硅量子点和非多枝ZnO结构的电池结构；ZnO/Si/P3HT结构中，三种材料在能带关系上呈台阶状分布，可以有效的分离光生电子和空穴。除此之外，进一步探索应用于太阳能电池和光探测器领域的氧化锌基材料，如AZO导电薄膜，以此为电极的红外探测器外量子效率可达到6.2%；ZnO/ZnMgO核壳结构，以此为基础的紫外光导探测器光响应比单一结构ZnO高一个数量级。本项目相关论文已在Journal of Physics D: Applied Physics，Polymer Composites, Materials Research Express, Integrated Ferroelectrics等国际期刊中发表，申请专利3项,相关工作获吉林省自然科学学术成果奖二等奖一项。