非Cd系量子点敏化TiO2太阳能电池的快速电子/空穴转移设计及光电性能研究

Aiming at the key problem of donor-acceptor energetics (driving forces) of No-Cd Quantum-Dots, which largely restricts power conversion efficiencies of Quantum-Dots sensitized solar cells, the charge behavior and photoelectric properties of “green” quantum dot sensitized TiO2 nanorods arrays will be investigated based on fast electron/hole transfering chan.Quantum-dot crystalline films with uniform particle size and high electrical conductivity are prepared on TiO2 nanorods surface by difunctional linker molecular. The effects of bridge length, structure and end-functional groups on interface charge separation, electron transfer dynamics will be studied,then its mechanism in the process of electron transfer and the master control factors influencing the electron transfer rate will be clarifed.Meanwhile,the influence mechanism of modification dye molecular on the charge behavior, optical absorption and photoelectric performance will also be studied in this task. By optimizing the fast electron/hole transfer channels, No-Cd Quantum-Dot sensitized TiO2 nanorods arrays solar cells with novel characteristics of material and structure and high efficient of photoelectric conversion will be designed. To meet national demand of solar photovoltaic technology, it will provide some technical support and scientific basis for the improvement of solar photoelectric conversion efficiency.

针对非Cd系量子点敏化太阳能电池光电转换效率受其能级驱动力制约的关键问题，基于电子/空穴快速转移通道设计，开展绿色量子点敏化TiO2纳米棒阵列的电荷行为和光电性能研究。采用双功能分子链接技术，在TiO2纳米棒表面制备颗粒尺寸均匀及导电性良好的结晶态量子点薄膜。系统研究链接分子长度、骨架结构及末端基团性质对界面电荷分离、收集及传输动力学的影响，阐明双功能链接分子在电荷分离、收集和传输过程中的作用机理，明确影响电子传输速率的主控因素。同时，考察量子点表面修饰空穴接受材料对光生电荷行为、光吸收及光电性能的影响机制。通过优化电子/空穴快速传转移通道，设计具有新颖材料和结构特点、光电转换效率较高的非Cd系量子点敏化太阳能电池。为满足我国太阳能光伏技术需求，克服绿色量子点敏化太阳能电池效率的瓶颈提供科学基础和理论依据。

非Cd系量子点受其附着率和能级驱动力的制约，极大的限制了量子点敏化太阳能电池的转化效率。而在阳极表面进行电子/空穴快速转移通道的设计，是解决上述问题，提高QDSSCs光电转换效率的有效手段之一。本项目以Bi2S3量子点敏化TiO2纳米棒阵列为研究对象，选用适当的有机自组装分子（SAMs）修饰TiO2纳米棒光阳极表面，研究链接分子的官能团对TiO2光阳极光学性能和光电性能的影响，并揭示其影响机制。用自组装法在TiO2表面制备了含有-NH2、-COOH和-SH为官能团的链接剂分子。以APTS SAMs为对象，研究了组装时间和浓度对其光电流的影响，当浓度为3mM，组装时间为6h时，光电流密度最大。这是因为APTS层修饰有效钝化了TiO2纳米棒表面缺陷，抑制了电子–空穴的复合过程。而且研究了含有相同头基-COOH，不同尾基的官能团对复合电极光电流密度的影响，结果表明半胱氨酸修饰电极的光电流密度最大，EIS数据说明的光生载流子的传输速率最快，因为尾基-NH2和-SH都是给电子基团，而-COOH是吸电子基团，在Bi2S3量子点和TiO2之间形成了有效的电子传输通道，有利于光生电子的传输。同时在量子点表面引入CuS作为空穴传输通道，研究结果表明，设计有利于光生电子/空穴快速转移的通道是实现量子点敏化太阳能电池高转换效率的有效方法。此外，为了减小后续化学浴法对自组装单分子膜的影响，我们用PLD技术制备了QDs，发现制备的复合结构的光电性能非常稳定。项目通过量子点敏化太阳能电池的界面修饰和量子点的制备研究为非Cd系量子点敏化太阳能电池效率的提高提供了有效的实验数据和理论依据。