量子点敏化太阳能电池的制备、界面态调控及电子注入可调机理研究

随着对量子点可调节的光学性质和量子限域效应研究的深入，量子点的热电子注入和载流子倍增等新效应被揭示出来，它们都和量子点表面态和界面态对电子的作用有着重要的关系，对光生载流子的迁移、分离、复合、捕获、寿命等物理过程有重要的影响。因此调控量子点表面态和界面态对于量子点敏化太阳能电池光电转换效率的提高至关重要。如何调控表面态和界面态是本项目需要解决的关键问题。.本项目基于胶体量子点电泳沉积和溶剂蒸发沉积两种方法，研究量子点-配体分子-纳米结构电极间界面态的控制，研究界面态结构与电池性能关系。重点研究包括：胶体量子点的可控制备及表面缺陷钝化；纳米结构电极的制备及表面功能化处理；量子点敏化层的吸附及配体替换；界面态调控及电子注入可调机理。主要创新点：采用自行设计电泳沉积和溶剂蒸发沉积装置控制胶体量子点在纳米结构电极上的吸附，组装形成均匀的界面态，用于电子注入可调机理的研究，构建界面态的电子隧穿模型。

通过本项目的实施,取得以下主要创新研究成果：.1)提出并合成了胶体CdSxSe1-x量子点敏化剂。相对于二元量子点，三元合晶量子点可以在不改变其尺寸的前提下通过调节组分来改变其禁带宽度，使量子点具有较宽吸收光谱的同时也具有与TiO2匹配的能级结构，为调节量子点的组装性能提供了更多的自由度。.2) 设计制备了一种更适于QDSSC的微纳复合孔隙结构TiO2光阳极。率先将亚微米尺寸的聚苯乙烯（PS）微球模板分散到TiO2浆料中，制备了具有微米和纳米复合结构的TiO2光阳极，拓宽了TiO2电极孔道，有利于量子点和电解液在其中渗透和量子点的均匀沉积，提高了量子点敏化太阳能电池光电转换效率。.3)提出了原位水热法制备光阳极的新方法：该方法是在巯基乙酸的作用下，一步实现了胶体CdSe量子点的合成和在TiO2表面的组装，制备的光阳极具有量子点覆盖率高、分布均匀、表面缺陷少等优点，实现了对量子点尺寸和表面态的控制，提高了量子点敏化太阳能电池的光电转换效率。.4) 发展了电化学沉积工艺制备量子点敏化TiO2电极，该方法具有反应速度快、操作简便、反应条件温和等优点，避免了传统离子吸附与反应法和化学浴沉积法中过程繁琐和耗时的缺点。通过简单调节沉积电流密度和反应时间，就可以实现对TiO2/CdSe光阳极形貌和电池性能的控制。.5)提出CdS、CdSe量子点分段敏化双层ZnO纳米棒阵列的光阳极结构，并采用两步水热生长工艺成功地制备。实现的两段式彩虹结构的光阳极，通过分段的光吸收，拓宽了吸收光的范围、增强了光吸收的强度，从而提高了电池的效率。.6) 为了提高对电极/电解液界面的电荷传输速率，我们将ZnO纳米棒阵列与PbS纳米晶结合制备了ZnO/PbS核壳结构对电极。ZnO纳米棒具有较大的表面积，可以高效地负载PbS催化剂；而PbS对多硫电解液具有较高的催化活性，从而可以发挥二者的协同效应，大幅度降低对电极/电解液界面的电荷传输电阻。最终使太阳能电池的光电转换效率达到3.06%，相比Pt电极有了近120%的提高。.本项目申请人在国内外学术刊物上发表SCI论文39篇（影响因子IF>11篇，IF>3的27篇），论文得到国际一流学术期刊的重点引用；申请发明专利7项，授权专利5项。项目研究取得的研究成果超过预期，很好地完成了项目任务书的研究任务。