量子点界面修饰P3HT/透明TiO2纳米管阵列异质结的制备及其电输运机理研究

In this project, we propose to prepare the organic/inorganic hybrid solar cells based on P3HT/TiO2 nanotube arrays by using transparent TiO2 nanotube arrays as the electron acceptor. The influence of microstructure of the TiO2 nanotube array, and fabrication process of the P3HT organic active layer on photoelectric properties of hybrid solar cells will be discussed. In order to expand the photoresponse range and increase light absorption of the hybrid solar cells, the surface of TiO2 nanotube arrays will be covered by depositing inorganic quantum dots (QDs) as the interface modifier. Furthermore, we are planning to engineer the band structure of QDs by means of controlling the components and size, to match the energy levels of P3HT, QDs and TiO2, which will lead to efficient exciton dissociation and charge transport at the P3HT/QDs/TiO2 interfaces. As a result, the efficiency of hybrid solar cells will be greatly enhanced. Equivalent-circuit model of the organic/inorganic hybrid solar cell will also be set up, and the relationship of electronic transport parameters and the microstructure will be established by using the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement. The reaction dynamics of exciton dissociation, charge transfer and recombination at the interface of the heterojunction, and the electronic transport mechanism will be discussed. The research results of this project will promote the development of organic/inorganic hybrid solar cells and have great significance for the development of novel photoelectric material and devices.

本项目利用在导电玻璃基底上制备的一维透明TiO2纳米管阵列作为电子受体，组装基于P3HT/透明TiO2纳米管阵列的有机/无机复合太阳能电池。系统研究透明TiO2纳米管阵列的微观结构及P3HT活性层处理工艺与电池光电性能之间的联系。在此基础上，利用无机半导体量子点修饰TiO2纳米管阵列表面，拓展光谱响应范围，增强光吸收，同时通过调控量子点能带结构，实现P3HT、量子点和TiO2三者之间能级匹配，促进界面激子分离，大幅提升有机/无机复合太阳能电池的光电转换效率。建立有机/无机复合太阳能电池的等效电路模型，应用电化学交流阻抗谱分析电输运参数与器件微观结构的关联，结合荧光光谱和寿命谱探讨异质结界面激子分离、载流子传输和复合反应动力学，探讨有机/无机复合太阳能电池的电输运机理。本项目的研究成果对于促进有机/无机复合太阳能电池的发展，开发新型光电功能材料和器件有着重要的理论意义和实际应用价值。

本项目在导电玻璃基底上制备了透明TiO2纳米管阵列，系统研究了工艺参数对纳米管阵列形貌的影响规律，探索了纳米管阵列形貌优化的可控生长技术。组装了基于P3HT/透明TiO2纳米管阵列的有机/无机异质结太阳能电池，利用量子点修饰TiO2纳米管阵列表面，有效提升了异质结太阳能电池的光电性能，并对异质结电池的电输运机理进行了研究。主要实验结果及创新性成果如下：.1、透明TiO2纳米管阵列的制备和形貌调控。采用直流溅射技术在FTO导电玻璃上沉积了金属Ti膜，利用阳极氧化法制备出透明的TiO2纳米管阵列。研究了溅射工艺参数和阳极氧化条件对TiO2纳米管阵列形貌的影响规律，确定了优化的工艺参数。研究表明在100W溅射功率、0.5Pa气压和300℃的沉积温度下制备出厚度小于1μm的Ti膜，用含有0.5wt％NH4F、3vol％H2O的乙二醇溶液作为电解液，在40V电压下阳极氧化15min后，经450℃烧结，可制备出高质量的透明锐钛矿相TiO2纳米管阵列，纳米管的孔径在80-90 nm之间，壁厚20-30 nm，阵列厚度小于2μm，可见光区域的透过率大于50%。.2、量子点界面修饰的P3HT/TiO2纳米管阵列异质结太阳能电池的制备与光电性能研究。利用透明TiO2纳米管阵列作为电子受体，组装了基于P3HT/TiO2纳米管阵列的异质结太阳能电池。在TiO2纳米管阵列表面原位合成了CdS与CdSe量子点作为界面修饰剂，通过调控量子点的尺寸和数量，利用量子尺寸效应，将量子点敏化的TiO2纳米管阵列的吸收范围拓宽至可见光区域，研究了量子点界面修饰对杂化电池的性能影响规律。实验发现采用CdS量子点修饰后的电池性能提升最大，其最高效率达到0.85%，相比纯P3HT/TiO2纳米管阵列异质结电池的效率提高了3倍多。.3、量子点界面修饰对异质结太阳能电池的增效机制及电输运机理研究。通过多种现代测试分析表征技术研究了量子点界面修饰的增效机制，结果表明：一方面利用量子点的光敏特性，提高了异质结电池对太阳光的吸收利用；另一方面由于量子点中间层的引入，在界面形成了阶梯状界面能带结构，从而提高界面电子复合电阻，减少电子复合，延长了电子寿命。结合电化学阻抗谱，建立了基于P3HT/TiO2纳米管阵列异质结太阳能电池等效电路，研究了电池内部电子传输及复合等输运参数与量子点界面修饰之间的关联。