全固态核壳量子点敏化TiO2纳米管阵列太阳能电池的制备及光电化学性能研究

Compared with silicon solar cells and dye sensitized solar cells, quantum dot (QD) sensitized solar cells have the advantages of lower cost and wider applications, and one trend is to develop the all-solid-state QD solar cells. The key to the performance of solar cells lies in how to improve the electron transport of the photoelectrode and the filling of solid electrolytes. In this research, the two-step anodic oxidation method will be utilized to prepare TiO2 nanotube arrays as the ultrafast transmission channel for electrons, and CdS QDs will be deposited on the TiO2 nanotubes by successive ionic layer adsorption and reaction process, followed by the formation of the core-shell QDs as the sensitizer with the ion exchange method. Then the conductivity of barrier layers will be improved by the self-doping style, and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), which acts as the transmission channel for holes, will be prepared in the nanotubes by in-situ polymerization via the electrochemical process. The all-solid-state QD-sensitized TiO2 nanotube arrays solar cells are thus fabricated. Effects of the fabrication conditions for the core-shell QDs and PEDOT will be studied on the visible light absorption, charge transfer and photoelectric conversion efficiency of the solar cells, and the mechanism for charge transfer and transport will be revealed in the TiO2 nanotube arrays/core-shell QDs/PEDOT. This finding is of great scientific significance to the microstructure design and study of novel solar cells.

与硅太阳能电池和染料敏化太阳能电池相比，量子点太阳能电池成本低、前景广阔，而全固态量子点太阳能电池更是太阳能电池的未来发展方向。如何改进光电极的电子传输和固体电解质的填充是提高电池性能的关键。本项目通过两步阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列作为电子的超快传输通道，首先采用连续离子层吸附与反应法在纳米管表面沉积核层CdS量子点，通过离子交换法构建核壳结构量子点作敏化剂，然后采用自掺杂的方式提高阻挡层导电性，通过电化学法在纳米管中原位聚合得到聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)（PEDOT）作为空穴的传输通道，最终制备出全固态核壳量子点敏化TiO2纳米管阵列太阳能电池，并研究核壳量子点和PEDOT的制备条件对太阳能电池可见光吸收、电荷迁移及光电转换效率的影响，揭示TiO2纳米管阵列/核壳量子点/PEDOT之间的电荷转移与输运机制。本项目的研究对于太阳能电池微观结构的设计和研究具有重要的科学意义。

本项目主要开展全固态量子点太阳能电池的制备及其光电性能研究，详细研究了光阳极、量子点敏化剂、空穴导体等电池组成部分对载流子迁移、太阳光吸收和光电转换的影响，并对光电极在光电催化去除污染物方面进行了深入探索。代表性研究成果如下：.（1）在钛片/钛网上采用阳极氧化法，制备了管径、长度可控的TiO2纳米管阵列光阳极，并研究了氧化电压、时间、电解液组成等参数对纳米管阵列形貌、微观结构和光电性能的关系；此外，我们采用溶剂热法创造性地制备了TiO2/Ag海绵体多孔光阳极，提升了光阳极的载流子迁移，作为新型光阳极材料具有广阔的应用前景。.（2）成功实现了CdS@CdSe和CdS@CdTe核壳量子点在TiO2纳米管阵列的沉积，制备的核壳光电极材料载流子迁移路径明确、光电子迁移速率快，电子寿命长，载流子利用率高，提升了量子点太阳能电池的光电效率。此外，采用抗坏血酸原位还原、溶剂热、紫外光还原等方法实现了Ag、Cu、Ag-Au合金、Au@Ag核壳等贵金属纳米粒子对TiO2纳米管阵列的敏化；采用超声协助化学沉积方式在纳米管原位敏化CdS；连续离子层洗浴与反应沉积法制备Ag3PO4、CuInSe2、Ag2S -Bi2S3、Ag2S -Sb2S3、CdS-Ag2S、和AgBr-Ag；水热法制备花状Cu3BiS3、Sb2S3、CdS-Bi2S3、Cd0.8Zn0.2S等半导体量子点在TiO2纳米管表面沉积；采用溶剂热法实现TiO2纳米管阵列的Fe3+掺杂，成功制备了17种量子点敏化TiO2纳米管阵列光电极，研究了光电极材料的光电化学性能。.（3）采用恒电压法在TiO2纳米管中原位聚合空穴导体PEDOT，在1.8V恒电压下EDOT单体在纳米管中原位聚合，实现了纳米管的100%填充，PEDOT填充不仅增强了光电极光吸收延伸至近红外，同时载流子迁移和光电过程稳定性方面表现优异，作为反电极可以制备高效全固态太阳能电池。.通过本项目的研究，对固态太阳能电池器件的光电性能和载流子迁移机理有了深入的探索，同时光电极拓展了在环境领域的应用，为新型太阳能电池的发展奠定了基础。在本项目的资助下，项目负责人以第一/通讯作者发表SCI论文21篇，获山东省高等学校科研成果二等奖、三等奖各一项，应邀参加国内外学术会议2次。