高效量子点敏化太阳电池

The low-cost solar cell technology represented by quantum dot sensitized solar cell (QDSC) is an effective route to solve the social problems such as energy and environment. The current relatively low photoelectronic conversion efficiency of QDSCs (< 6-7%) related to the quantum dot sensitizer is partially ascribed to the low coverage of QD sensitizers on the surface of electrodes, narrow absorption range, low photogenerated electron-injection efficiency, and high rate of recombination. In order to improve the photovoltaic performance and realize the commercial application of QDSC, in this project, a series of composite QD systems (including type-II core/shell structure, alloyed QDs, and transition metal doped QDs) will be designed and synthesized. The quantum sensitizers with both wide absorption range and high electron injection rate will be achieved via tuning the electron state and the passivation of trap states of composite QD systems. The pre-prepared QDs composite structures with distinguished photoelectronic properties are assembled onto the surface of electrodes with high QDs loading via the ex-situ ligand exchange self-assembly route. The charge recombination is hindered via the formation of ZnS shell around the surface of QD, and/or the formation of an oxide barrier around the surface of sensitized photoanode. This leads to the improvement of charge collection efficiency and therefore the enhancement of photovoltaic performance of the resulting cell devices. With the implementation of this preject, the conversion efficiency of QDSC will be uplifted to over 10%.

以量子点敏化太阳电池（QDSC）为代表的低成本太阳电池技术是解决能源、环境等社会问题的一种有效途径。目前QDSC低的转换效率（<6-7%）涉及量子点敏化剂部分的因素主要包括：量子点覆盖率低、吸光范围窄、电子注入效率低及电荷复合高。为提高QDSC转换效率实现其商业应用，本项目拟通过有机相高温途径设计、合成一系列量子点复合结构（type-II、合金及过渡金属掺杂量子点），通过量子点电子结构的调控、表面缺陷态的钝化来制备兼有宽光谱吸收和高电子注入效率的量子点敏化材料，然后通过离位配体交换自组装途径实现量子点在电极上高负载沉积。通过在量子点表面径向生长高能带ZnS壳层，在敏化的光阳极表面生长高能垒氧化物阻挡层等途径来抑制发生在量子点内部及量子点/TiO2/电解质界面的电子复合，从而提高电荷的收集效率、改善电池性能。通过本项目的实施，组装制备出光-电转换效率大于10%的QDSC器件。

量子点敏化太阳电池 (QDSC) 是用半导体纳米晶 (量子点, QD) 作为光捕获材料的敏化类太阳电池。由于量子点高的吸光系数及敏化构型对材料纯度的低依赖性，QDSC具有低成本、长寿命、高效率潜质，近年来引起了广泛的关注。遗憾的是QDSC高品质潜力长期笼罩在低转换效率的阴影下（2012年以前效率< 5%）.本项目的研究以提高QDSC效率为目标，围绕解决制约QDSC效率的关键科学问题而开展。在以下三个方面取得了创新性学术成果： .(1) 基于能带耦合调控电子结构的原理，设计制备出一系列兼有宽吸收、高导带能位特性的复合量子点吸光材料（核/壳及合金构型）并实现了高密度负载，提高对太阳光的捕获效率、获得了高光电流。.(2) 提出了降低电子态密度抑制电荷复合的新机制，通过在光阳极表面生长ZnS、SiO2等宽带隙高能垒材料来降低其表面的电子态密度，从源头上抑制发生在界面的电荷复合、提高了光电压。.(3) 创立了增加活性位点提高对电极催化活性的新思路，发展出网状基底限域锚定催化材料增加活性位点的新策略，发明了高催化活性的钛网负载介孔碳对电极，增加了填充因子。.通过该项目的实施，获得的QDSC效率被同行以“record”, “state-of-the-art”, “maximum”, “the highest”, “the world record”等语言评价，分别被认定为2015年 (8.5%)，2016年（11.6%） QDSC效率的最高纪录。最近，我们又将QDSC效率提高到经国家光伏质检中心认证的12.6%，是目前已见报道的最高效率，初步展示了QDSC “高效率、低成本”的预期优势。.在该项目的资助下，共发表标志了基金资助的SCI论文25篇（全部为JCR一区），其中10篇入选ESI高被引论文。