基于分枝TiO2纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳能电池制备及其双重界面修饰

In order to make up the defects of organic/inorganic hybrid solar cells, such as poor interface compatibility, narrow spectral response range and inefficient exciton dissociation and charge transfer. We propose to prepare a new organic/inorganic hybrid solar cells based on P3HT/branched TiO2 nanorod arrays by using dual interface modification, which consist of organic modifier and inorganic semiconductor quantum dots. The branched TiO2 nanorod arrays will be prepared by the two-step hydrothermal method. Ordered Hybrid solar cell consisting of nanorod arrays will promote the carrier transport, and the branched morphology of the nanorods will increase the interfacial contact area, improve the exciton separation efficiency. On this basis, the surface of the TiO2 nanorod will be dual modified by organic ligands or dyes with inorganic semiconductor quantum dot, leading to expand the range of spectral response, enhance light absorption, promote the carrier transfer and reduce the recombination. As a result, the efficiency of hybrid solar cells will be greatly enhanced. Equivalent-circuit model of the organic/inorganic hybrid solar cell will be set up, and the reaction dynamics of exciton dissociation, charge transfer and recombination of the hybrid solar cells based on the dual interface modification will also 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 materials and devices.

为克服有机/无机杂化太阳能电池中有机给体与无机受体间界面相容性差，光谱响应范围窄、激子分离及载流子传输效率低的缺陷，本项目设计了基于有机修饰剂和无机半导体量子点双重界面修饰的P3HT/分枝TiO2纳米棒阵列新型杂化太阳能电池。利用二步水热法生长出分枝TiO2纳米棒阵列作为受体，通过纳米棒阵列构筑有序的杂化太阳能电池结构，加快载流子在电池内部的传输；同时利用纳米棒的分枝形貌增大界面接触面积，提高激子分离效率。然后科学选择有机配体及染料与无机半导体量子点搭配，对TiO2纳米棒表面进行双重修饰，从而拓展光谱响应范围，增强光吸收，调整界面能带结构，促进载流子转移，减少复合，提高电池光电转换性能。系统研究基于双重界面修饰的杂化太阳能电池界面激子分离、载流子传输和复合反应动力学，建立等效电路模型，探讨电输运机理，揭示界面修饰的增效机制。本项目研究可为新型光电功能材料和器件的开发提供实践支撑和理论基础。

有机/无机杂化太阳能电池的材料制备、器件结构设计与优化，界面调控以及电输运机理的研究是新型高性能光电材料和光伏器件领域的研究热点之一。本项目主要从一维分枝TiO2纳米棒阵列的可控制备、有机无机杂化太阳能电池结构优化与光电特性研究、以及电池内部界面修饰和电输运机理方面展开科学研究。项目执行期间，利用水热法和磁控溅射法设计并制备出TiO2纳米颗粒/纳米棒复合阵列、分枝TiO2纳米棒阵列以及顶部具有分枝结构的TiO2纳米棒阵列，有效拓展了TiO2纳米棒阵列的比表面积，改善了TiO2纳米棒阵列的光学特性。结合无机半导体量子点和有机染料双重界面修饰，改善了基于分枝TiO2纳米棒阵列的有机无机杂化太阳能电池界面特性。通过界面修饰层的引入，调整界面能级结构，促进界面激子分离，提高了有机无机界面的复合电阻，减少了载流子复合；并且利用修饰层的光敏特性，提高了杂化电池对太阳光的吸收利用，经界面修饰后的电池性能显著提升。分析了界面修饰对杂化太阳能电池的增效机制，建立了电池内部等效电路模型，探讨了杂化电池内部电荷输运机理。项目研究结果对有机无机杂化太阳能电池研究领域提供了有益的实验和理论支撑，有着良好的参考与指导价值。项目研究期间共发表学术论文7篇，其中SCI检索论文4篇，EI检索论文2篇，在投论文2篇；申请中国发明专利1项；获襄阳市科学技术进步奖一等奖1项；参加国内外学术会议10余人次；联合培养2名硕士研究生。