量子点敏化太阳能电池的超快太赫兹光谱研究

In this proposal, ultrafast time-resolved Terahertz (THz) spectroscopy'll be adopted to study the machenism of charge transfer in quantum dots (QDs) sensitized solar cells (QDSSCs)，within which high optical absorption only yields very low sunlight-to-electricity conversion efficency. Semiconductor QDs/metal oxide nanowire arrays (MONWAs) junction is the key structure of the QDSSCs that we propose to fabricate and study by THz spectroscopy. High optical absorption in this kind of QDSSCs has been demonstrated both theoretically and experimentally, but very low sunlight-to-electricity conversion efficiency in this solar cell has been found by experiments. Charge carrier generation, transfer and tranport in QDSSCs are key processes for sunlight-to-electricity conversion, which are hot topics and also difficulties in both oversea and domestic solar cell reseach communities. We propose to carry out the following researches on QDSSCs using ultrafast time-resloved THz spectroscopy: 1)transient charge transport properties during charge carrier generation, 2) charge transfer mechanism from QDs to MONWAs in QDSSCs made with different materials, with differient-size QDs, and with different space between QD and MONWA, 3) theoretical analysis the above experimental results with Marcus theory, 4) free charge carrier transport and dynamics properties in MONWAs. In our proposal, there're quite a lot of highlights, which include: 1) systematical study on charge transfer machenism in QDSSCs by ultrafast time-resolved THz spectroscopy, 2) we'll found out the bottleneck which limits the sunlight-to-electricity conversion efficiency in QDSSCs, 3) and after this study we'll be able to provide a guideline for designing and fabricating QDSSCs with high light-to-electricity conversion efficiency.

本项目拟针对量子点敏化太阳能电池中光吸收效率高但光电转化效率低的问题，利用超快太赫兹光谱对其进行电荷转移机理的研究。该太阳能电池的核心是由半导体量子点与金属氧化物纳米线阵列合成的复合结构。光生电荷在这种结构中的产生、转移以及输运过程是光电转换的关键，同时也是国内外研究的热点和难点。本项目拟利用具有亚皮秒时间分辨率的太赫兹光谱围绕该结构的电荷转移开展：1）载流子产生瞬间的输运性质的研究、2）不同材料、大小的量子点和不同吸附间距的结构制备的电池中光生载流子从量子点转移到纳米线阵列的机理的研究、3）结合Marcus理论进行系统的实验和理论分析，4）自由电子在金属氧化物纳米线阵列中的输运和动力学过程。通过以上研究，项目预期：1）实现将超快太赫兹光谱系统地引入到对量子点敏化太阳能电池的研究，2）获取该太阳能电池中光电转换的机理和限制因素，3）为制备具有高光电转化效率的量子点敏化太阳能提供科学依据。

硅基材料用做太阳能电池中的光伏材料已经有非常长的时间。但由于其对可见光的吸收，导致光电转化效率不能提高，因此研究人员开始设计各种以硅为基础的纳米材料以提高可见光的吸收效率。其中量子点敏化硅纳米线阵列就是用来提高太阳能吸收效率的一种结构。通过设计阵列结构即可容易地获取更高的吸收效率，然而另一个在研究光伏材料中需要考虑的问题就是太阳光激发产生的自由电子寿命，即生成的自由电子需要在多长时间内转移走才不会衰减消失。这涉及到自由载流子的动力学过程。寿命越长，越有利于光能转化成电能。 虽然量子点敏化硅纳米线中载流子寿命还未被研究，但是通过对其他纳米线载流子的研究表明利用化学生长方法得到的纳米线存在大量的晶格缺陷，从而导致自由载流子的寿命被大大地降低。 这么短的寿命为自由电子的转移带来了很大的麻烦。因此本项目利用化学刻蚀方法制备量子点敏化硅纳米线阵列，能很好地保留纳米线内容晶格的完整性，不会在内部引入缺陷；并对其载流子的性质和寿命进行研究。. 另外一个关于增大光能转化为电能的机制在于被吸收光子转化成自由电子的量子效率。通常情况下，当入射光子的能量超过半导体禁带宽度时，电子会被激发，并且激发到高能态，随后电子将多余的能量转移给声子变成无用的热能。为了利用额外的这一部分光子能量,通过减小材料的尺寸进而提高电子–电子相互作用，从而实现了一个光子产生多个自由电子。这样就能成倍地增加太阳能转化成电能的效率。本项目通过对硅纳米线表面进行量子点敏化处理，从而增强量子点内的电子–电子相互作用，为最终在量子点敏化硅纳米线阵列中实现载流子倍增提供帮助。.在本项目的支持下，我们围绕着化学刻蚀得到的量子点敏化硅纳米线阵列用作太阳能电池的光伏材料完成的一系列实验的结果。在介绍完量子点敏化硅纳米线阵列的制备方法和过程之后，我将介绍对其开展的四个方面的工作。(1) 利用瞬态太赫兹辐射光谱来验证我们制备的量子点敏化硅纳米线阵列对可见光吸收效率的增强效应。(2) 利用太赫兹时域光谱研究量子点敏化硅纳米线中光生载流子的输运性质；其中将主要讨论在量子点敏化硅纳米线上光生载流子以表面等离子体激元集体激发模型存在的形式以及其性质。(3) 用时间分辨的太赫兹光谱系统研究光生载流子的动力学过程，包括对光生载流子的寿命等性质的研究。(4) 纳米线后期处理对光生载流子性质的影响。