Cu2ZnSnS4纳米晶的可控合成及其太阳能电池性能研究

Cu2ZnSnS4是替代CuInGaSe2最理想的太阳能电池光伏材料，但目前关于它在太阳能电池中的应用研究比较少。本项目将致力于Cu2ZnSnS4纳米晶表面修饰及其在太阳能电池中的应用研究。首先以热分解法合成粒径可控的Cu2ZnSnS4纳米晶，再在其表面包覆ZnS壳层和有机配体来调控纳米晶的晶格匹配及杂质缺陷，获得高质量的纳米晶。然后制备纳米晶薄膜及其太阳能电池，研究纳米晶的尺寸、表面修饰的有机功能分子和壳层、纳米晶薄膜的热处理等对器件的光电转换效率的影响，优化纳米晶及其器件的结构。另外，研究壳层结构和表面有机修饰对量子点膜层光电性质的影响，了解纳米晶与有机分子的相互作用，分析纳米晶与电子和空穴传输材料之间的电荷分离，构建优化的纳米晶表面结构，有效地增强载流子传输。上述关键科学问题的研究，对改善纳米晶太阳能电池的光电转换效率，发展新一代环保节能的高效光伏器件具有重要的现实意义。

利用多元合金纳米晶的表面结构调控其与金属氧化物之间电荷分离过程，理解多元合金纳米晶的发光机理，是优化基于纳米晶器件性能的关键科学问题。本项目中，我们利用湿化学方法设计合成了不同表面结构的Cu2ZnSnS4和CuInS2等核及核壳结构纳米晶，研究了多元合金纳米晶的超快载流子动力学，以及其与无机金属氧化物薄膜之间的电荷分离过程，获得了如下创新性研究成果：（1）两相法合成Cu2ZnSnS4绿色环保纳米晶，实现了纯相多元纳米晶的可控生长；利用飞秒泵浦-探测技术研究了CuInS2纳米晶中的超快载流子动力学过程，并利用变温荧光光谱研究了CuInS2/ZnS纳米晶的发光机理，证实了壳层包覆钝化无辐射陷阱的机制；（2）利用时间分辨光谱研究了不同壳层的CdSe核壳量子点与无机金属氧化物TiO2薄膜之间的电荷分离过程，发现纳米晶表面壳层厚度和势垒对电荷分离的调控机制，从理论上分析了电子波函数扩散对电荷分离过程的影响。上述结果表明通过改变纳米晶表面壳层结构，为进一步优化基于纳米晶的光伏器件的性能提供了物理基础。