ZnCuInS/ZnS量子点太阳电池关键问题的研究

ZnCuInS/ZnS quantum dots is a kind of heavy metal- free, "Green" andenvironment-friendly quantum dots material. It is promising to use ZnCuInS/ZnSquantum dots to replace Cd and Pb group quantum dots as the active material of solar cell, and fabricate non-toxic "Green" solar cell a. The purpose of this proposal is to improve the limitation of toxic metal- dependent quantum dots solar cell.Several key subject will be investigated including: according to the transition mechanism, compound- dependent band gap should be investigated and the band model of ZnCuInS/ZnS quantum dots should be set up; make the surface ligand chain shorter,improve the light-generated carriers mobilityin ZnCuInS/ZnS quantum dots;investigate and optimize the structure and parameters of solar cell, fabricate theZnCuInS/ZnS quantum dots solar cell with high properties. Goal: confirm the transition mechanism of ZnCuInS/ZnS quantum dots; prepare high quality and "Green" ZnCuInS/ZnS quantum dots; fabricate heavy metal- free ZnCuInS/ZnS quantum dots solar cell with the power convertion efficiency of 5.2%.

ZnCuInS/ZnS 量子点是无重金属"绿色"量子点材料，替代毒性较大的 Cd、Pb族量子点材料，对制备"无毒绿色"太阳电池具有重大意义。本项目拟解决目前量子点光伏器件对有毒重金属材料依赖的问题，对其中关键的科学问题进行研究：从跃迁机理入手，研究元素组分对 ZnCuInS/ZnS 量子点能级结构的影响，建立 ZnCuInS/ZnS 量子点能级结构模型；去除ZnCuInS/ZnS量子点表面有机长链配位体，提高 ZnCuInS/ZnS 量子点光生载流子迁移率；研究载流子迁移层和量子点有源层的几何尺寸、退火温度对载流子输运特性的影响，制备ZnCuInS/ZnS 量子点太阳电池。目标：揭示 ZnCuInS/ZnS 量子点光生载流子跃迁机理，合成高载流子迁移率、无毒 ZnCuInS/ZnS量子点，制备出世界领先水平的 ZnCuInS/ZnS"绿色"量子点太阳电池，太阳电池转换达到 5.2%。

量子点太阳电池具有效率高、低成本、柔韧性好的特点。利用高比表面积量子点薄膜，获得高的转换效率，而且量子点具有量子尺寸受限效应，会导致多激子产生，理论预计转换效率可以达到60.3%以上，远高于非纳米材料太阳电池的理论预计转换效率。. ZCIS/ZnS和Ag2Se胶体量子点是两类低毒材料，在胶体量子点光电器件中有着良好的应用前景。我们合成出不同尺寸的ZCIS/ZnSe/ZnS和Ag2Se量子点，量子点荧光量子产额达到40%以上；研究这些量子点尺寸依赖的发光特性、温度依赖的物理性质和组分依赖的发光性质，发现这些胶体量子点的能级结构是尺寸、温度、组分多重因素依赖的，由此分析得出其发光机制为多种缺陷能级辅助的辐射跃迁。在此基础上，我们确定了这些材料的能级结构，拟合实验数据得到描述材料特性的参数。. 开展胶体量子点太阳电池的结构设计的研究，包括器件结构、量子点尺寸、电极特性等三个方面，我们制备出三种类型的量子点太阳电池。一种是采用超薄量子点薄膜结构，在ITO基底上旋涂厚度40nm 的PEDOT:PSS薄膜，然后中将量子点薄膜（光敏层厚度<100 nm）旋涂在PEDOT:PSS上；利用EDT处理量子点活化区，再将ZnO 纳米晶旋涂在量子点活化层上；最后，在ZnO 纳米晶层上沉积100nm的Al电极。这种结构器件的开路电压、填充因子和PCE分别达到0.40 V、0.46、5.12%。另一种是制作叠层结构量子点太阳电池。利用不同尺寸（具有不同的带隙）的量子点组成多结太阳电池器件，充分增加活化层的吸收光谱范围，有利于利用宽阔的太阳光谱。实验数据表明，叠层器件性能好于两种单结太阳电池。第三种是石墨烯电极太阳电池：在包覆石墨烯电极基底顶部旋涂MoOx薄膜，然后旋涂厚度40nm 的PEDOT:PSS薄膜，再将厚度220nm的量子点薄膜旋涂在PEDOT:PSS上。使用0.001 M的BDT溶液对量子点薄膜进行钝化处理。最后，将ZnO 纳米晶旋涂在量子点活化层上，在ZnO 纳米晶层上沉积100nm的Al电极。器件的短路电流、开路电压、填充因子和功率转换效率分别是19.2 mA/cm2、0.42 V、44.1%、3.56%。. 在上述研究基础上，我们发表SCI检索学术论文13篇，影响因子大于3.0的10篇；申请发明专利3项，获得授权3项；培养博士研究生3人，硕士研究生2人。