基于织构化氧化钛纳米管光阳极的多波段光谱响应量子点敏化太阳能电池的研究

As a promising candidate for third-generation solar cells, Quantum dot sensitized solar cells (QDSSCs) has important research significance and application prospects. However, the energy conversion efficiency of present QDSSCs is still low. This project will solve the problems by modifying and redesigning the morphology of photoanode and broadening the absorption spectrum of solar cells, while a 3D branched TiO2 nanotube with large surface to volume ratio will be used as photoanodes. A cell structure (FTO/TiO2/CdS/CdSe/PbS/ZnS) will be designed and constructed experimentally. In this structure, quantum dots adsorption capacity will be increased, owing to the large surface area in the photoanode. The absorption spectrum of the device will be widely distributed ( TiO2 (<380 nm), CdS (<550 nm), CdSe (<700 nm) ) and extended to the near-infrared region by introducing PbS quantum dots and the light-harvesting will also be increased. Meanwhile, the rapid separation and transportation will be achieved by the modulation of type II heterojunction or pn heterojunction energy band system in quantum dots. Therefore, a high performance QDSSCs may be obtained in the the structure proposed in this project.

作为第三代太阳能电池的有力候选者，量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）具有重要的研究意义和应用前景。然而，目前QDSSCs的电池效率仍较低。本项目拟通过光阳极形貌调控和拓宽电池吸收光谱作为主要途径解决上述问题。利用高比表面积的三维织构化TiO2纳米管阵列作为光阳极，实验上构建FTO/TiO2/CdS/CdSe/PbS/ZnS结构的太阳能电池。在该结构中，高表面积的光阳极将提高量子点的有效负载量，外层PbS的敏化可使器件的吸收光谱拓宽至近红外区，对太阳光谱逐级的分段式吸收可提高光子的俘获率（TiO2(<380 nm)、CdS(<550 nm)、CdSe(<700 nm)、调节PbS的吸收边至近红外区）。通过量子点间II型异质结或pn结能带体系的构建，将实现光生载流子的快速分离与传输。可以预期，在该结构中有望实现高性能的QDSSCs。

作为第三代太阳能电池的有力候选者，量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）具有重要的研究意义和应用前景。然而，目前QDSSCs的电池效率仍较低。本项目拟通过光阳极形貌调控和拓宽电池吸收光谱作为主要研究内容来解决上述问题。通过本项目的开展，我们获得了具有高比表面积的织构化TiO2纳米线阵列，虽然该纳米结构为量子点太阳能电池中电子提供了良好的传输通道，但是它的比表面积仍然低于TiO2纳米颗粒组成的光阳极薄膜，这就造成了量子点的吸附量比较低，因此，我们只获得了效率仅为4.81%的CdSe量子点太阳能电池。为了克服以上缺点，我们又开展了具有高比表面积和良好电子传输通道的TiO2纳米结构的研究工作，我们先后合成了超薄纳米片和自组装的一维TiO2纳米球链纳米结构，并以这些TiO2纳米结构为光阳极制备的CdSe量子点敏化太阳能电池的效率高达5.01%和5.45%。为了拓宽量子点电池的吸收光谱，我们开展了具有宽光谱吸收的窄带隙量子点ZnCuInSe的合成工作，为了进一步提高量子点太阳能电池的效率，我们又开展了具有高催化能力和导电特性的对电极（Cu2Se和石墨烯复合材料）的研究工作。最终，我们利用该对电极组装而成的ZnCuInSe量子点太阳能电池的效率高达6.66%，短路电流密度为25.86 mA/cm2,开路电压570 mV。已经达到本项目之前预定的量子点太阳能电池的技术指标。本课题的研究将为将来获得高性能的量子点太阳能电池提供新的思路并奠定了坚实的实验基础。