一步法制备碳量子点敏化太阳能电池及其性能研究

Quantum dot-sensitized solar cell (QDSC), as a new kind of dye-sensitized solar cell (DSC), has received widely attention recently. Quantum dots (QDs) exhibit significant advantages over conventional organic and complex dyes, such as extremely high molar extinction coefficient, size-dependent bandgaps, easy fabrication and so on. Carbon quantum dots (CQD) have the superiority of low toxicity, high chemical and light stability etc.. In this project, CQD is adopted as the sensitizer of QDSC. According to the unique synthesis and sensitizing properties towards CQDs, the nanocomposite carbon quantum dots/TiO2 structure with small diameters, narrow size distribution needs to be firstly fabricated, which improves interconnections between CQDs and between CQDs and TiO2, resulting in a higher electron transfer efficiency and cell efficiency. Furthermore, photoanode paste could be made from this structure and applied in QDSCs. Upon completion, the photoanode fabrication procedure can be simplified from traditional two steps including TiO2 film fabrication and followed QDs deposition to one step, and the efficiency of QDSCs could be improved, which contribute to improving the application in carbon QDSC.

量子点敏化太阳能电池（QDSC）是染料敏化太阳能电池（DSC）的重要发展方向，近年来受到人们的广泛关注。不同于传统的有机或配合物染料，量子点（QD）具有带隙可调、制备简单、消光系数高等优点。碳量子点（CQD）具有毒性小、化学性质稳定、光稳定性强等优势。本项目拟将CQD作为QDSC的敏化剂，根据CQD的合成及敏化特性，先制备出半径较小、粒径分布较窄的TiO2/CQD复合纳米结构，改善CQD之间和CQD与TiO2之间的界面接触，提高电子转移产率和电池的效率。这一结构可以直接做成光阳极浆料，一步制备TiO2/CQD复合纳米结构光阳极并应用于QDSC中。本项目的成功实施，将简化光阳极的制备步骤，由传统的两步法（包括制备TiO2薄膜和之后的QD沉积）压缩为一步，并有效增强QDSC的电池效率，为提高碳量子点敏化太阳能电池的应用前景做出贡献。

围绕项目主体方向，以材料制备和应用开发为支点开展工作。我们首先发展了一种在二氧化钛表面原位生长碳量子点的简易方法，进而用这种碳量子点/二氧化钛复合光阳极构筑了太阳能电池，获得了0.87%的光电转换效率。这一数值，比之前报道的利用简单后处理方法获得的碳量子点敏化太阳能电池的效率都要高。这一研究结果表明，原位生长策略在优化碳量子点敏化太阳能电池的性能方面具有很大优势。此外，我们发现主导碳量子点敏化太阳能电池性能的机理有别于无机半导体量子点敏化太阳能电池。这一结果，也再次印证了一条结论，即碳量子点具有不同于无机半导体量子点的特性。. 然后，我们在无任何外部添加剂和温和条件下，成功地将烷基胺和烷基醛转化为碳量子点。在一个典型实验中，我们通过在氯苯中回流十二胺，得到了具有蓝光发射的碳量子点，此量子点的光致发光表现出激发波长依赖性。此类量子点易溶于多种有机溶剂。我们通过凝胶柱层析和硅胶柱层析，对碳点进行后续分离，得到了高纯碳量子点，绝对荧光量子产率超过10%。这种碳量子点在无溶剂条件下依然具有光致发光特性，能够被用作荧光墨水。同时，他们与包括聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲硅氧烷在内的多种聚合物相容。我们检查了有机官能团的影响，发现通过在氯苯中加热回流十二醛也能够制备蓝光发射的碳点，但含羧基和羟基的有机化合物则难于通过此种方法制备碳量子点。. 除了碳量子点，我们还将研究工作拓展到其它领域。我们利用磁控溅射技术，制备了一个包含铬和铜的、具有防污和抗磨性能的类石墨涂层。研究表明，随铬和铜含量的增加，涂层的由密实的结构转变为一个松散的柱状结构。同时，涂层的硬度逐渐降低，然而海水在涂层上面的接触角逐渐增大。藻类吸附实验表明随铬和铜含量的增加，海藻在涂层上的密度由565每平方毫米降低至70每平方毫米。与之相反，涂层的摩擦系数由0.06递增至0.35。总体而言，适量铬和铜的加入使涂层能够保持较好的综合性能。