Ga掺杂ZnO纳米线阵列电极型量子点敏化太阳能电池的研究

量子点敏化氧化物半导体太阳能电池对提高光电转换效率与降低成本具有重要意义。本项目提出一种量子点敏化Ga掺杂ZnO纳米线阵列复合结构新型太阳能电池。通过有效Ga掺杂提高纳米线导电率,并提供可能的电子俘获中心，降低光生载流子的复合几率；通过量子点（单一成分或两种异质量子点配合）的中间能带效应、多激子产生效应、及其对能带偏移的调制，综合提高光生载流子的产生、分离和注入效率，从而提高太阳能电池的能量转换效率。系统研究Ga掺杂浓度和掺杂工艺对ZnO纳米线阵列微观结构（比表面积、取向度、结晶度）、电子结构和光学性能的影响，分别研究量子点的种类、尺寸及其在ZnO纳米线表面沉积密度对太阳光吸收效率、能带偏移与光电化学特性的调制作用，以优化的复合结构电极为基础构筑太阳能电池，研究各种结构参数与电池能量转换效率之间的关系，为实现低成本、高效率量子点敏化半导体太阳能电池打下材料基础。

本项目系统研究了ZnO、Ga掺杂ZnO、TiO2纳米阵列的可控制备，量子点参数对纳米阵列光电性能的影响，双量子点壳层同轴电缆结构对提高饱和光电流的作用，以及量子点掺杂对光电极微观结构及性能的影响。提出了一种采用近中性电解液电场辅助电化学沉积Ga掺杂ZnO的方法，解决了以往Ga掺杂对ZnO极性生长影响的问题，通过控制沉积电压，可以对Ga掺杂ZnO阵列的长度和直径进行控制。通过三步法组装了Ga掺杂ZnO纳米线阵列染料敏化太阳能电池，该电池既提高了ZnO基纳米阵列的电导率，又克服了纳米阵列与衬底接触界面的电荷损失，同时Ga掺杂能减少ZnO表面缺陷，从而减少注入电子与染料、电解液的复合，所制备的太阳能电池光电转换效率相对未掺杂ZnO纳米线阵列电池有明显提高。以ZnO纳米线阵列为核，CdSe和CdTe双量子点壳层作为敏化剂，在ITO上制备了双壳层ZnO/CdSe/CdTe纳米电缆阵列光电极，利用双壳层本身的能级调整功能，实现了电子与空穴有效分离与快速传输，而且降低了氧化物电极、量子点、电解液之间载流子传输时产生的非辐射复合损失，获得了～14.3 mA/cm2的高饱和光电流。在ZnO/CdTe纳米电缆基础上，利用连续原子层吸附反应的方法制备ZnS纳米钝化层，获得ZnS修饰ZnO/CdTe核壳纳米电缆阵列电极，ZnS层可起到表面保护作用，防止多硫电解液对CdTe的腐蚀，提高电极的化学稳定性；同时ZnS层还可钝化表面缺陷，减少光生载流子的非辐射复合，饱和光电流密度从ZnO/CdTe的6.5 mA/cm2显著提高到13.78mA/cm2。利用电化学沉积法在TiO2 纳米棒阵列上合成CdSe量子点，CdSe吸收边随着沉积电量的增大逐渐红移，当沉积电量为0.9 C时，光电极产生最大的饱和光电流8.57 mA/cm2。利用连续离子层吸附与反应方法在TiO2纳米阵列上合成CdS量子点，当循环次数为70次时，TiO2/CdS光电极的饱和光电流最大，为3.6 mA/cm2。利用电化学沉积法制备了Co掺杂CdSe量子点敏化TiO2纳米电极，Co掺杂可以调节CdSe的带隙，拓宽其可见光吸收范围，另一方面可以增加其载流子浓度，提高电子的传输速率，增加电极收集电子的效率，从而提高光电流密度。上述结果发表SCI论文15篇，获授权发明专利2项，获湖北省自然科学二等奖1项。