基于单壁碳纳米管/碳基量子点异质结的全碳太阳电池研究

All-carbon solar cells (ACSCs), entirely-made from carbon nanomaterials, have attracted much more attentions due to the abundance of carbon source, low manufacturing costs, solution-processable coating and potential application in flexible substrates. However, there are some problems, such as the limited bandwidth near-infrared of the main spectral response, and high recombination rate of photo-induced carriers, resulting in a low conversion efficiency. This proposal presents a new ACSC based on semiconducting single-walled carbon nanotubes (S-SWNTs)/carbon-based quantum dot (C-QD) heterojunctions. The spectral response range of ACSCs will be broadened by using S-SWNTs with broad diameter distribution and band-gap tunable C-QDs, and the recombination rate of photo-induced carriers will also be reduced. We will focus on the following research contents: Controlled synthesis of S-SWNTs/C-QD heterojunctions with bandgap matching; Separation and transport process of photo-induced carrier in the S-SWNTs/C-QD interface; Solution-processable fabrication of ACSCs; Effects of spectral response range of the active layer and interface contact on photoelectric performances. Finally, we will reveal the formation, separation and transport mechanisms of the charge carriers in the S-SWNTs/C-QD heterojunctions, the charge separation and transport process in all the interfaces of ACSCs and photo-electric conversion mechanism, which will lay a foundation for the future development of high-efficiency ACSCs.

全碳太阳电池是一种全部由纳米碳材料组成的新型薄膜太阳电池，具有原料资源丰富、可溶液加工、成本低廉、适于制作大面积柔性器件等突出优点。然而其光谱响应范围主要在近红外区并且光生载流子的复合几率较高，导致光电转换效率低下。本项目在前期研究基础上，拟利用宽直径分布的半导体性单壁碳纳米管（S-SWNTs）和带隙可调的碳基量子点（C-QDs）形成异质结来拓宽全碳太阳电池的光谱响应范围和降低光生载流子的复合几率，提高电池性能。重点研究带隙匹配的S-SWNTs/C-QDs异质结的可控制备；光生载流子在异质结界面处的分离与输运过程；全碳太阳电池的溶液法构筑；活性层的光谱响应范围和多层结构的界面接触对电池光电性能的影响等内容。揭示S-SWNTs/C-QDs异质结内载流子的产生、分离与传输机制、全碳太阳电池中各界面处载流子的分离与输运过程以及光电转换机制等，为高效全碳太阳电池的研究发展奠定基础。

碳按不同的原子杂化方式可形成多种同素异形体，如富勒烯、碳纳米管和石墨烯等。Fullerene和半导体性单壁碳纳米管分别为n型和p型半导体，而金属性SWNTs和石墨烯均为具有极高载流子迁移率的优良导体。将这些不同导电属性和光电特性的纳米碳材料组合起来有望构筑出高性能全碳光电器件。本项目研究了碳基量子点制备、碳/碳异质结与电荷传输，在此基础上开展碳基太阳电池及全碳太阳电池研究。项目研究取得了如下重要成果：①发现双官能团GQDs的光致发光光谱具有独特的溶液pH依赖特性。②首次将CQDs/N掺杂石墨烯/PCBM/作为电子抽取层来控制载流子迁移和离子/分子在钙钛矿内的扩散行为，大幅度提高了钙钛矿太阳能电池的长期稳定性。制备了面积大于1.0cm2的钙钛矿太阳能电池，其15.6%的电池效率获得AIST认证并被记录在国际太阳能电池效率表。③构筑了石墨烯/(6,5) SWCNTs平面异质结全碳光电器件，该器件对405-1064 nm光均具有良好的光电响应。在780 nm激光以功率密度为100 mW/cm2辐照器件时全碳光电器件的电池效率为2.4%，短路电流密度Jsc可达1.25A/cm2，开路电压Voc 为7.5 mV，其填充因子FF为25.24%。④研制出对405-1064 nm光具有优异宽光谱响应的（6，5）SWCNTs/石墨烯的平面异质结光电器件。采用光电导工作模式时，最大光电响应度可达1.0 A/W，可探测率达到2.25×10^10 Jones。当采用光伏工作模式时，最大光电响应度可达0.05 A/W，可探测率可达3.2×10^10 Jones。⑤ 突破了碳纳米材料对可见光区光子吸收较弱的瓶颈，也弥补SWCNTs在该波段的弱响应性。验证了C60纳米棒/SWCNTs纳米复合材料可用于构筑具有宽光谱响应的光电器件。. 在Nature Communications等期刊发表受项目资助的SCI论文12篇。获得教育部自然科学奖二等奖1项。本项目所研制的全碳光电器件具有超薄、宽光谱响应等突出特点，通过调整SWCNTs带隙并进行能带匹配，可以将其用于高性能近红外光电探测器，而且当采用柔性基底时可制成超薄、柔性近红外光电器件，在光通信、夜间监控、微光夜视、红外导引、空间遥感等诸多领域具有较大应用潜力。