高密度量子点表面修饰光电极及其光电性能研究

Over the last few years，quantum dot sensitized solar cells (QDSC) as third-generation photovoltaic cells have attracted widespread attention due to the possibility of acquiring conversion efficiencies beyond the Shockley-Queisser limit. However, due to the confinement of materials and deficiency of a fundamental understanding of how to control and engineer interface properties, the energy conversion efficiencies of QDSCs are still far below the theoretical limit of QDSCs and smaller than that of similar dye sensitized solar cells. In this project, the methods of self-assembly via electrostatic interaction and crosslinked quantum dot and TiO2 overlapping networks will be used to improve adsorption efficiency of quantum dots on photo-anode electrodes and realize effiecient connection between the two materials. The effects of preparing condition and method on the microstructure, size, morphology and growth mechanism will be systematically investigated under different conditions to realize controlled growth. The relationship for transport, recombination and extration of carriers are to be investigated to build up theoretical model for illustrating the transport mechanism of carriers in circuits.This research proposal can not only supply new simple methods to enrich the quantum dot sensitized solar cell research system, but also deepen the understanding of the electron transfer mechanism. This is essential both in fundamental research and in technological applications.

由于界面结构的限制导致的能量转化效率低下是制约量子点敏化太阳能电池发展和应用的关键，其主要问题是较低的光阳极覆盖率和如何实现量子点与光阳极间的有效结合。针对于此，以简单、低成本、环境友好为指导思想，本课题提出采用如下方法有效提高量子点吸附率，实现有效结合：1）交联量子点网络和网状拟单晶TiO2层叠排列，利用大面积交联网络叠层排列提高吸附率。2）多尺寸分布量子点自组装，利用自组装方法采用多尺寸分布量子点逐步吸附有效填充量子点间空隙，提高吸附率和光吸收范围。项目拟通过改变各种影响因素，获得制备方法和条件对微结构、尺寸、形貌及生长过程影响的规律；通过能带工程，调节量子点与TiO2间的能带匹配以提高载流子抽取效率；采用理论计算和实验相结合，深入研究载流子抽取、复合和输运等动力学过程，建立器件物理模型，揭示光生载流子在回路中的传输机理，为进一步降低电子复合、提高太阳电池效率提供理论与实验依据。

本项目以量子点敏化太阳能电池电极的优化研究和相关物理化学问题的研究为主要内容，探索提高量子点敏化太阳能电池的能量转化效率的新方法、新途径。具体成果如下: (1) 利用不同前驱体制备类石墨相二维g-C3N4, 探索了前驱物对其光降解能力的影响。结果表明以尿素为前驱体制备出的实验产物光催化降解有机物效率最高。进一步将二维的g-C3N4引入TiO2纳米粒子中制备光阳极的介孔层。当g-C3N4掺杂量为15%时，电池处于最佳状态，相比掺杂前提高了29.3%。(2) 采用水热法制备TiO2纳米棒阵列结构光阳极，研究了制备条件对产物结构的影响。TiO2纳米棒阵列结构光阳极可以明显的提高电池的开路电压以及短路电流。光电流最大为7.31mA/cm2，光电转换效率达到最大2.28%，并通过将TiO2介孔薄膜与纳米棒阵列结构复合，进一步将电池的效率提升至4%。(3) 研究了单一金属硫化物及其复合物作为对电极对电池光电性能的影响。由于CuS的良好导电性和CoS高效的催化活性，复合金属硫化物在不减少短路电流的情况下可以提高开路电压，CuS/CoS作为对电极可以达到5.22%的光电转化效率。(4) 制备了石墨烯/Cu2S复合对电极。优化了石墨烯与Cu2S的配比, 使用复合对电极相对于单一Cu2S对电极使得电池的开路电压，短路电流和填充因子数值都有所提高，最终使得光电转化效率达到4.76%。（5）通过制备高浓度电解液和引入钝化层，进一步提高量子点敏化太阳能电池的能量转化光电转化效率。电解液浓度的增加可以加快激发电子后所留下空穴的复原，而使光电转化效率提升了18%。优选出SiO2钝化层的最佳沉积条件,钝化层的存在有效的抑制了光阳极/电解液界面的电荷复合，使得光电转化效率高达5.6%，光电转化效率提升了33.3%。在本项目支持下发表SCI论文14篇，EI论文1篇，新申请国家发明专利2项，获得授权发明专利2项。在本项目进行过程中，共培养了具有独立工作能力的研究生9名，4次参加各种国内外相关的学术会议，做邀请报告3次。