界面SAMs膜修饰对量子点敏化ZnO太阳能电池电荷行为的影响

Interface optimization is a critical problem for the breakthroughs in the conversion effeciency of quantum dots semiconductor-sensitized Solar Cells (QDSSCs). In this project, the quantum dots (CdS, CdSe) sensitized ZnO solar cells will be fabricated with introducing the proper self-assembled monolayers (SAMs) to modificate the interface of ZnO photoanode. The effects of SAMs on the optivaltic properties will be investigated from the microscopic view of charge behaviors. The detailed contents include two aspects. On one hand, according to the surface states of ZnO and the band alignment of QDSSCs, the SAMs moleculars will be designed and optimized and their effect machenism on the work function of ZnO will be revealed by the theoretical calculation. On the other hand, the effects of SAMs on the carrier behaviors, such as concentration, life time, mobility and diffussion length and so on, will be systematically investigated by the optical/electrical modulation and transient techniques, and then the kinetic and thermodynamic mechanisms of charge seperation, transfer and recombination will be finally revealed. The above prospective results will not only supply a back-up solution for the interface problems of ZnO based QDSSCs, but also provide the experimental and theoretical basis for the SAMs design and interface optimization in other type of solar cells.

界面优化是量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）效率上取得突破性进展的关键问题所在。本课题拟制作量子点（CdS、CdSe等）敏化ZnO纳米线（管）太阳能电池，选用适当的有机自组装单层膜（SAMs）修饰ZnO光阳极界面，从界面电荷行为的微观角度深入研究SAMs层对电池光伏特性的影响。主要内容包括：根据ZnO的表面态和电池能级结构设计和优化SAMs层，通过理论计算揭示SAMs层对ZnO功函数的调控机制；利用光电调制和光电瞬态等技术系统地研究SAMs层对微尺度载流子浓度、寿命、迁移率与扩散长度等电子特性的影响，揭示SAMs层影响电荷分离、输运和复合的动力学和热力学机制。其研究成果不但会为解决ZnO基QDSSCs电池界面这一关键问题提供后备解决方案，也为其他种类电池的SAMs材料设计和界面优化提供实验依据和理论指导。

本课题以CdS量子点敏化ZnO纳米棒QDSSCs太阳能电池为研究对象，选用适当的有机自组装分子层（SAMs）修饰ZnO纳米棒光阳极表面，研究其对ZnO光阳极光学性能和QDSSCs光伏性能的影响，并揭示其影响机制。取得的创新性研究结果如下：. 首先，完善了CdS量子点敏化ZnO纳米棒阵列太阳能电池的制作工艺，并改变ZnO光阳极的形貌，即以纳米管或二次生长ZnO纳米棒为光阳极，提高其表面CdS量子点的附着率，提高对可见光的吸收率，产生更多的光电子，增大短路电流密度，有效提高电池光电转换效率。. 其次，利用无机半导体材料，如ZnS, ZnS:Mn2+等材料，修饰ZnO纳米棒光阳极表面，不但有效保护ZnO光阳极不被电解液腐蚀，钝化ZnO表面的缺陷从而抑制电子的复合，并且有效阻止光生电子反向传输，提高光伏电池光电转换效率。. 最后，用不同种类的SAMs层（3-PPA、BPA、APPA、MBA、BBA和FBA）对ZnO纳米棒表面进行修饰，研究不同SAMs分子、不同是SAMs溶液的浓度、浸泡时间以及pH对QDSSCs光伏性能的影响。研究发现当SAMs溶液浓度为0.01M、浸泡时间为1min以及pH~7时，SAMs层界面修饰的效果最好；不同尾基SAMs由于具有不同的吸电子和供电子能力，对ZnO表面的润湿性、表面功函数以及形成的界面偶极矩的大小和方向也各不相同。但总体上SAMs层都能够很好的钝化ZnO纳米棒表面缺陷，抑制ZnO表面电子-空穴的复合过程。当SAMs尾基为吸电子基团时，界面偶极矩的方向是朝着ZnO表面的，使ZnO的表面功函数减小，形成能量势垒，抑制电子背向传输过程，有效提高QDSSCs的光电转换效率。 然而，当SAMs尾基是给电子基团时，形成的界面偶极矩的方向是远离ZnO表面的，致使ZnO表面功函数增大，不利于光生电子的传输，致使电池光电转换效率降低。. 由此可见，人们可以通过设计和选择合适的SAMs分子层修饰电池界面，提高QDSSCs的光伏性能。该研究结果将为解决ZnO基QDSSCs电池界面这一决定电池性能的关键问题提供后备解决方案，也为其他种类电池的SAMs材料设计和界面优化提供实验依据和理论指导。