基于铜铟硒材料的纳米量子点太阳电池的研究

In order to solve the photoelectric conversion efficiency limit of traditional solar cells, the project has put forward a feasible solution for high conversion efficiency solar cells theoretically, that is applying nanomaterials to CIS thin-film solar cells. By selecting proper materials with good band matching with CIS and increaseing their contact area, the transmission efficiency of carriers has been improved. The project has investigated the effects of various structure factors on external quantum efficiency for solar cells with CIS quantum dots sensitized nanostructures as anode. In addition, a new solar cell with high internal quantum efficiency and high photogenerated carriers collection and transmission ability has been developed. This project has paved the way for the research of new type solar cell with high efficiency.

本项目针对传统太阳电池存在的光电转换效率极限的问题，提出了实现高效太阳电池的可行性方案，将纳米技术应用于铜铟硒（CIS）薄膜太阳电池。本项目采用CIS量子点结合纳米线传输结构来制备高效太阳电池，选择与CIS具有较好能带匹配的纳米材料，提高量子点与纳米线的结合面积以及载流子的传输效率。使用量子点CIS组装太阳电池，研究各种结构因素对于外量子效率的影响，并优化结构及工艺，进而获得高性能的纳米量子点太阳电池。本项目即是利用一种化学手段制备出一种具有特殊物理效应的材料，应用到光伏器件中去，探索新型、高效太阳电池结构体系，为进一步提高太阳电池的转换效率寻找突破点。

由于能源危机与全球变暖的不断加剧，使得太阳能光伏发电吸引了众多研究人员的关注。I-III-VI族化合物的铜铟硒（CISe）具有较好的吸收系数、优异的稳定性以及较高的载流子迁移率，是应用于太阳电池内具有代表性的光吸收材料。本项目使用热注入合成的方法，在绿色安全的有机溶液中制备分散性好且尺寸较小的CISe量子点，并对所得量子点的结构、尺寸和光学性能进行研究，并探究改变实验的温度、时间以及Cu/In摩尔原子比对量子点的影响。同时，对CISe量子点表面缺陷密度较大的问题进行改善。通过核与壳的组合形式来减少量子点的表面缺陷，改善载流子的传输和收集的性能，并最终提升量子点太阳电池的性能。主要研究内容如下：.（1）通过控制合成的温度与时间，获得粒径3.90-8.14 nm、禁带宽度2.16-2.36 eV的量子点。改变量子点的Cu/In摩尔原子比，可控制其禁带宽、载流子寿命和不同种类Cu相关缺陷的相对含量。对CISe量子点进行的退火处理后，可减少量子点内第二相化合物的相对含量。.（2）将CISe包覆在宽带隙CdS上，形成体积较大并具有量子限域效应的窄带隙壳层，获得表面缺陷数量较少以及载流子寿命较长的CdS/CISe壳核量子点。当CdS核尺寸较大、CISe前驱体注入速率较快以及注入量较多时，所得核壳量子点的CISe壳层包覆效果最佳。.（3）将不同晶体结构和不同尺寸的CISe量子点进行了光伏应用的研究，以ZnO纳米棒为光阳极，以CISe量子点为敏化剂，组装成敏化太阳能电池。当尺寸在7.8 nm时，得到的太阳能电池性能最好。使用不同Cu/In摩尔原子比的CISe量子点和CdS/CISe核壳量子点制备成肖特基结量子点太阳电池，随Cu/In摩尔原子比的降低，太阳电池的开路电压和填充因子增加，其短路电流密度和转换效率逐渐降低。而核壳量子点太阳电池则展现出更好的性能。.项目的研究成果，对缓解能源危机、减少碳排放，改善环境，加速绿色能源的发展具有非常重要的意义。