高效稳定无毒量子点耗尽型异质结太阳能电池的制备及界面电荷传输机理研究

This project aims at preparing highly performed and stable non-toxic quantum dot (QD) depleted-heterojunction solar cells by material designing and microstructure controlling, and exploring the charge transfer and recombination mechanism at the nano surface/interface. Firstly, metal oxide nano-arrays will be designed and employed instead of nano-particles to prepare p-n hererojunction with QD. In this way, charge separation, injection, and transport efficiencies are anticipated to be enhanced, therefore recombination will be inhibited and electron lifetime will be enlarged; Then the binary semiconductor will be doped to obtain heavily doped p-QD, expected to reduce the Schottky barrier width on the surface of metal/QD and enlarge the hole tunneling possiblities; Finally, the reductive graphene oxide （RGO）will be incorporated between metal and QD serving as cathode buffer layer, which was promising to improve the hole transfer efficiencies and reduce the Schottky barrier. Besides, RGO could protect the QD from being attacked by the oxygen and water in the air and prevent the reaction between the metal and the organic molecules on the QD surface, leading to enhanced photovoltaic performance and long-term stability.

本项目拟通过材料设计和微结构控制，探索纳米表面/界面的电荷传输与复合机理、研究制备高效稳定无毒量子点耗尽型异质结太阳能电池。首先，通过设计制备金属氧化物纳米阵列取代纳米颗粒，与无毒量子点形成p-n异质结，提高电荷分离、注入和传输效率，降低复合及提高电荷寿命；然后通过对二元无毒量子点进行重掺杂，降低金属/量子点界面肖特基势垒宽度，增加空穴隧穿概率；最后在金属/量子点界面引入不同还原程度的石墨烯氧化物作为阴极缓冲层，通过提高空穴传递效率和降低肖特基势垒等，并通过阻挡环境中氧气和水分对量子点腐蚀及阻止金属与量子点表面包覆有机分子间的反应，来提高电池的光电转换性能和长期稳定性。

染料敏化太阳能电池，半导体化合物量子点太阳能电池，钙钛矿太阳能电池作为代表性的第三代新型太阳能电池由于成本低廉、理论转换效率高、制备工艺简单等优点成为近几年的研究热点。本课题主要基于环境友好型的低维材料，进行包括耗尽型异质结太阳能电池在内的电池结构设计，制备工艺及工作机理研究。进行了低维度纳米材料包括SnS量子点，CZTS纳米晶，氧化钛及氧化锌纳米阵列，石墨烯复合材料等的合成，制备及材料表征。并基于所合成的材料进行一系列的电池结构设计，以及把这些材料应用于太阳能领域的研究热点：包括量子点敏化太阳能电池，钙钛矿太阳能电池等中进行结构改善及电荷传输性能优化。材料合成方面，对材料合成的方法对材料性质的影响，以及相关的电池结构机理进行了较为深入的探讨。成功制备了石墨烯氧化物复合材料（GO/CoNi2S4）并总结探讨了CoNi2S4纳米晶粒与GO的复合机理。成功合成制备了不同量子限域效应的SnS量子点和均一尺寸的CZTS纳米晶，全面的分析了其光电性能并成功进行了电池应用；将在AZO上直接制备的ZnO纳米阵列应用于钙钛矿电池中取得了很好的电子传输效果，此外还将低温制备的CZTS薄膜应用于钙钛矿电池中，证明了该薄膜具有优异的空穴抽取效果； 此课题中首次将设计的基于球磨法制备的CZTS 材料经硒化处理用于全无毒异质结太阳能电池，电池效率达到了5.08%，并实现了光照1000小时仅衰减7%的稳定性，实现了预期目标。