基于垂直取向的锌基杂化本体异质结薄膜的设计制备、界面调控及光伏器件研究

在分子水平上调控纳米有序的锌基/聚合物杂化薄膜是解决HSC光电转化效率低的关键科学问题。本项目拟运用一类全新的方法和设计理念来构筑HSC，即设计制备具有垂直于ITO基底层的、长度近似于膜厚的、与聚合物在界面层形成纳米级均匀混合的锌基薄膜。同时，调控氧化铝模板纳米孔道制备排列整齐且垂直于基底的ZnO纳米棒或纳米线，并采用溶液成膜法将其均匀包封在聚合物内，制备成最终垂直于两个基底层的一维ZnO/聚合物HSC，期望从材料和制备上一举突破HSC收集和输运电荷的传统限制- - inefficient hopping electron transport。利用扫描探针等显微技术和各种谱学手段研究定向排列组装的ZnO微结构包括维数、长径比、表面结构等的变化规律与调控机制，以及微观异质结界面－电荷分离与传输－光伏性能之间的相互依存关系和作用机理，为HSC在未来太阳能薄膜电池产业中的应用提供理论基础和实践指导。

本项目以提高锌基杂化太阳能电池（HSC）光电转换效率为目的，设计制备出一类垂直排列于基底层的一维ZnO纳米棒（NRs）与聚合物杂化的本体异质结薄膜。基此，构建高性能锌基HSC器件。具体研究结果有：.1.一维氧化锌纳米薄膜的制备研究：采用溶胶凝胶法、热溶剂法等制备出ZnO NRs、聚集体修饰的ZnO NRs、碘掺杂ZnO NRs、多级ZnO NRs等多种薄膜。采用各种显微表征技术和光谱测试手段，探究了定向排列组装的ZnO微结构包括维数、长径比、表面结构等的变化规律与调控机制。结果表明，i)聚集体表面的ZnO NRs，能实现电子沿电场轴向的有效传输，有助于ZnO纳米棒和有机相P3HT界面的充分接触，提高激子的有效解离；ii)碘掺杂拓展了ZnO NRs的光谱吸收范围，有效抑制了光生电子-空穴的复合；iii)调控多维ZnO结构中的纳米片或纳米棒密度，可同步调控ZnO结构的比表面积和电子传输性质。同时，ZnO纳米晶聚集体自身保留了的强光散射性能。.2.锌基/聚合物HSC的制备研究：优化锌基/聚合物杂化薄膜，构建多种锌基HSC器件。光电性能测试表明，i)D205表面修饰改善了ZnO NRs电池的各项光电参数（包括短路电流、开路电压、填充因子及光电转化效率），并提出了杂化电池的能级分布和电子转移过程机理；ii)经ZnO聚集体修饰的ZnO NRs HSC的短路电流显著增大，效率提高了32%。其原因是，ZnO聚集体增大了D205的吸附量，增加光吸收利用，同时ZnO聚集体促进了载流子分离，增加了有效电荷产生，最终提高了电池转换效率；iii)在优化条件下，基于纳晶聚集体/纳米片（NA/NS）的多维ZnO光阳极的电池效率提升至7.35%。效率提高归因于高的比表面积、有效的电子传输和强的光散射性能在多维度ZnO NA/NS光阳极内部的完美结合。另外，基于传统的HSC结构，我们以优化好的ZnO纳米棒为光电极，尝试设计了钙钛矿HSC电池结构，并对电池结构的制备工艺进行了优化，获得了13.47%的转换效率。. 本项目研究成果目前已发表SCI论文13篇。申请专利6项，授权2项。作为第一完成人申报的项目"光电功能薄膜及其应用性能基础研究"荣获2012 年中国石油和化学工业联合会科技进步奖二等奖。参加国际会议3次，国内会议3次。培养博士生9名，（毕业5名），硕士生11名（毕业8名）。