复合壳层纳米电缆阵列的能带调控机制及其光伏特性

Microstructure and composition control, surface passivation are the key processing methods on composite shell nanocable arrays photoanodes, which have been proved very important for the enhancement on both the absorption and carrier transport of the quantum dots sensitized solar cells. Based on our previous study of ZnO/CdTe nanocable arrays through a benign electrochemical deposition, in this proposal, CdSe/CdTe double shell sensitized ZnO(TiO2) nanocable arrays will be prepared as the photoanodes for solar cells. The photoelectrochemical property and band offsets will be synthetically studied to enclose the influence of the band allignment on the carrier transport property. The effect of ZnS(CdS) passivation layer on the photovoltaic property of ZnO(TiO2)/CdSe/CdTe will be studied, and the relationship between the layer thickness and carrier transport will be revealed by using dynamic fluorescence spectra and transient absorption spectra study. Mn(Co) doping on the optimized ZnO(TiO2)/CdSe/CdTe solar cells will be also tried synthetically, the influence mechanism of doping level on charge transfer will be investigated in detail. Through the studies, a series of nanocable arrays solar cells with energy conversion efficiency above 7% will be expected.

对纳米电缆阵列量子点敏化太阳电池电极壳层进行微结构和组分调控、表面钝化修饰等，能有效提高其光吸收效率和载流子传输性能。本项目拟在我们发展的温和电化学沉积制备ZnO/CdTe纳米阵列基础上，采用CdSe/CdTe双壳层敏化ZnO或TiO2构筑纳米电缆阵列电极，系统研究界面能级排序问题，探索微观结构、电学特性与能级结构的关联，揭示界面能带调控提高载流子分离和传输速率的机制；研究钝化层(ZnS或CdS)对ZnO(或TiO2)/CdSe/CdTe纳米电缆阵列电池性能的影响，采用动态荧光发射光谱和瞬态吸收光谱探索钝化层厚度与电子寿命、电子传输速率之间的联系，揭示钝化层影响空穴传输的机制；研究过渡金属(Co或Mn)掺杂对ZnO(或TiO2)/CdSe/CdTe纳米阵列电池性能的影响，探明杂质能级对电子或空穴传输的影响机制。通过以上研究，将复合壳层纳米电缆阵列太阳能电池光电能量转换效率提高至7%。

项目围绕核壳纳米阵列主线，以载流子传输调控机制为重点，以新型纳米阵列光伏器件为对象，以光伏性能提升为目标，开展了系统深入的研究。通过项目的研究，成功制备了ZnO/CdS, ZnO/CdTe/CdS, ZnO/ZnS/CdS, ZnO/MgO, ZnO/MgO/CuS, ZnO/PCBM/Cl掺杂CH3NH3PbI3, ZnO/CH3NH3PbI3/MoO3, ZnO/Al掺杂ZnO, TiO2/CdS，TiO2/ZnSe/CdSe，TiO2纳米阵列/TiO2纳米花或TiO2纳米颗粒，TiO2/CH3NH3PbI3等系列单（双）壳层核壳纳米阵列光电极，运用这些电极分别研制了量子点敏化、染料敏化、有机聚合物、钙钛矿等新型太阳能电池，光伏自驱动光电探测器，半导体异质结型燃料电池等多种类型的光伏器件。主要研究内容包括：TiO2纳米阵列单（双）壳层核壳光电极量子点敏化太阳电池，ZnO基复合核壳纳米阵列太阳能电池载流子传输特性与光伏性能，TiO2一维纳米阵列+三维管状纳米花+纳米颗粒复合核壳光电极及其敏化太阳能电池的性能，ZnO(TiO2)/GaN(CuS,Si)核壳纳米阵列p-n结型光电二极管的光伏自驱动与光电探测性能，ZnO(TiO2)/CH3NH3PbI3核壳纳米阵列光伏自驱动型光电探测器，新颖结构钙钛矿太阳能电池和燃料电池的设计与性能。揭示了界面梯度能级调控提高载流子分离和传输速率、抑制复合的机制，界面修饰钝化缺陷的作用，Cl掺杂钙钛矿晶体提高激子扩散长度的规律，三维复合结构高染料吸附载量、超级光散射、快速电子传导、低电子复合速率的原理，Al掺杂ZnO修饰界面、传导电子、调节能带的机理等。基于上述纳米阵列的新型太阳能电池所获得的最高效率分别达到10.3%（TiO2基纳米阵列染料敏化太阳能电池，认证效率）、14.5%（ZnO基纳米阵列钙钛矿太阳能电池）、18.39%（TiO2基纳米阵列钙钛矿太阳能电池）。研究结果对新型纳米阵列光伏器件的研究具有重要意义。项目发表SCI论文35篇、《中国科学.技术科学》1篇，其中SCI一区论文10篇，封面或封底论文3篇，申请中国发明专利5项（已授权3项，公开2项），授权实用新型专利1项。培养青年教师5人，博士生3人（已毕业获学位3人），硕士生16人（已毕业获学位9人）。