梯度带隙异质结光电极制备及其在太阳能电池中的应用研究

Research work on high-performance solar cells has an important scientific significance and practical value to solve the environmental pollution and energy shortages. Considering the low absorbance of the present quantum dot sensitized solar cells caused by the ineffective loading of quantum dots on the surface of nanostructure electrodes, in this project, the heterojunction photoelectrodes with graded-bandgap are suggested to improve the absorption of sunlight: the ZnO nanowire cores totally covered by CdS shells synthesized via a chemical conversion method are used to absorb solar light with wavelengths below 550 nm; To further expand the absorption spectra, CdSe quantum dots will be deposited onto the surface of the synthesized ZnO/CdS core/shell nanostructure arrays. The physical mechanism that could affect the photoelectric conversion efficiency will be explored by comparing the performance of solar cells made with different photoelectrodes. The absorption and scattering process of photons will be studied; carrier transport properties in semiconductor nanostructures will be discussed. The project is expected to reveal the physical origin that affects the photoelectric conversion efficiency and find the possible ways to improve the performance of solar cell. The findings of this project will provide a scientific basis for the design and preparation of high-performance solar cells. It could also have potential economic and social benefits.

新型高性能太阳能电池研究对解决环境污染和能源短缺具有重要的科学意义和实用价值。针对目前量子点敏化太阳能电池中量子点在纳米结构光电极上有效加载困难而导致吸光率低的缺点，本课题提出了采用梯度带隙异质结作为光电极来提高电极对太阳光的吸收：通过化学转化法实现CdS壳层在ZnO纳米线表面的完全覆盖来提高电极对波长短于550nm光谱的吸收；再通过在ZnO/CdS核壳结构的表面吸附CdSe量子点进一步扩大光谱的吸收范围。通过对比研究由不同光电极组装的太阳能电池的性能来探讨影响光电转换效率的物理机制；系统深入研究电池中光子的吸收和散射过程；研究载流子在纳米结构中的输运机制。项目预期将揭示影响电池光电转换效率的物理起源，提出提高电池性能的可行方案。本项目的研究结果将会为设计和制备高性能太阳能电池提供科学依据，具有潜在的经济效益和社会效益。

为了提高基于ZnO纳米结构太阳能电池的光电性能，项目组通过简单的化学转换法成功合成了ZnO / CdS的核/壳结构。为进一步扩大光谱的吸收范围，在上一步制备的ZnO / CdS的核/壳结构表面沉积了硒化镉量子点实现了梯度带隙异质结的制备。所制备的异质结光电极被成功应用于太阳能电池。对电池的光电性能研究表明，该异质结非常适合作为光电极应用于太阳能电池。为了进一步提高ZnO基太阳能电池的光电性能，项目组设计了简单的制备方法实现了新颖纳米结构的制备，其中一种纳米结构由Zn(OH)F纳米棒核和褶皱状Zn5(CO3)2(OH)6壳组成，另一种纳米结构由ZnF(OH)纳米片环绕ZnF(OH)纳米棒组成。通过煅烧所制备的两种纳米结构，成功制备了多孔分级ZnO纳米结构。虽然多孔ZnO纳米结构可提供大的表面积，但光生电子在多孔纳米结构形成的网络中输运时将与大量的缺陷产生复合。因此，合成一种由ZnO纳米棒核和多孔壳层组成的纳米结构应该能够提高电池性能。在这种结构中，能够同时保留单晶ZnO和多孔ZnO的优点。所制备的分级ZnO纳米结构和多孔ZnO纳米结构均被成功应用于太阳能电池，电池的性能得到了提高。项目组采用场发射扫描电子显微镜，高分辨透射电子显微镜和X射线衍射分析对所制备产物进行了形貌和结构上的表征，讨论了所制备纳米结构的形成机理。