多酸在量子点敏化TiO2纳米管太阳能电池中的协同效应研究

Quantum-dot-sensitized solar cells (QDSSCs) have received considerable attention, since their ultimate conversion efficiency can increase to about 66%, which is higher than that of dye-sensitized solar cells. Polyoxometalates (POMs), a type of metal-oxo cluster framework anions containing transition metals of Mo, W, V, Nb and Ta, have special structures and fine physicochemical properties. POMs are electron acceptors with similar energy band to metal oxides. This project deals with the design and fabrication of POMs/CdS quantum dot/TiO2 nanotube arrays QDSSCs, and the research on the mechanism of electron transfer and recombination, and the research on the synergistic effect of POMs. These results will provide theoretical and experimental bases for solving critical problems of POM-modified light-to-electric conversion performance, and will be of considerable significance for the development of practical POMs-introduced QDSSCs.

量子点敏化太阳能电池的最高理论电池效率可达到66%，已成为倍受关注的前沿领域。多金属氧酸盐（简称为多酸）是一类由Mo、W等过渡元素组成的多金属氧簇化合物，具有多样的结构和特异的物理化学性质。多酸是电子接受体，具有与半导体类似的能带结构。本项目主要从设计组装"多酸/CdS量子点/TiO2纳米管阵列"体系太阳能电池入手，选择与TiO2纳米管和CdS能带匹配的多酸，通过调节多酸的形貌结构及多酸、TiO2和CdS之间的复合结构以优化"多酸/CdS量子点/TiO2纳米管阵列" 体系太阳能电池的光电转换效率。利用研究太阳能电池中电子传输及复合的实验方法来获取电池的微观参数。研究该体系中的电子传输和复合机制，探明多酸协同效应的作用机理，以此建立合理的经验模型。为开发研制多酸介入型量子点敏化太阳能电池提供理论和实验依据。这些研究结果对加快量子点敏化太阳能电池的实际应用具有重要意义。

用高效、环保、可再生能源代替矿物能源已成为人类解决能源危机迫切需求，太阳能光伏发电以其取之不尽、低廉、环保的优点，运用越来越广。其中，二氧化钛多孔电极的染料敏化太阳能电池被广泛研究，但由于其吸光范围窄，光生电子-空穴容易复合使其光电转换效率不高。我们用多酸来修饰TiO 2纳米管，来抑制电子-空穴的复合，同时，利用CdS、PbS等量子点带系窄，吸收太阳光谱的范围宽的特点，与多酸共敏化TiO 2纳米管以提高光俘获效率，增大光吸收范围，来改善上述缺陷，取得了较好的效果。.研究了以多酸SiW12、PW12、PMo12修饰TiO 2纳米管，制备了以SiW12 / TiO 2、PW12 / TiO 2、 PMo12 / TiO 2纳米管复合薄膜为电极的光伏电池,测定上述光伏电池的光电转换效率分别为3.32%、3.62%、5.40%，比TiO2纳米管的光电转换效率提高了9.2、10、和15倍左右，表明多酸对提高TiO2纳米管的光电转化效率有很大的促进作用。.研究了用CdS 、PbS量子点敏化TiO2纳米管，制备了CdS/TiO2、PbS/TiO2、CdS/PbS/TiO2纳米管复合薄膜，使TiO2纳米管复合材料的吸收光谱扩展到510nm以上，结果表明：CdS 、PbS量子点共敏化的CdS/PbS/TiO2纳米管复合薄膜电极的光电转换效率为3.95%，是CdS 、PbS单一量子点敏化TiO2纳米管的3.1倍和2.4倍。说明CdS和PbS带隙的有效匹配更有利于光电子的注入和光激子的再生。.研究了多酸和CdS量子点修饰TiO2纳米管的协同作用，制备了CdS/ PW12/ TiO2 和CdS/SiW12/ TiO2纳米管复合薄膜电极的光伏电池，光电转换效率达到了11.7%和14.2%，比TiO2纳米管的光电转换效率提高了32.5和39.4倍。表明明多酸与CdS 量子点共敏化TiO2纳米管，对提高其光电转化效率作用更加显著，具有很大的实际运用前景。 .研究了以(n-Bu4N)3PW12/TiO2和MoS2-graphene(M-G)复合物为量子点敏化的太阳能电池的光电转化效率，它们分别为1.26%和2.21%，提高了上述组成的量子点敏化太阳能电池的光电流和光电转化效率。其效率值要高于Pt 和MoS2对电极。.上述研究为开发研制多酸介入型量子点敏化太阳能电池提供了理论和实验依据。