三维有序密堆量子点太阳能电池的构建及电荷传输机制研究

量子点具有量子限制效应、多激子效应等特性，在太阳能电池上表现很好的应用潜力，但目前量子点太阳能电池(QDSCs)的结构还不尽合理，阻碍了光电转换效率的提升。申请人提出了一种新型的密堆QDSCs结构：量子点密堆成海绵状，最大限度吸收太阳光；能级匹配的有机物对量子点表面进行修饰以促进电荷分离。这种新型结构的QDSCs虽然获得了较高的短路电流和开路电压，但填充因子较低，究其原因是电子在量子点间传导时被大量复合。本项目以提高密堆QDSCs的载流子传导效率为研究目标，采用新型工艺制备尺寸、孔径、阳极厚度可控的三维有序密堆QDSCs；通过对光电性能、电子寿命及电荷传输动力学等方面的分析，系统研究密堆QDSCs中载流子传输方式和影响因素，在此基础上优化工艺和结构，以抑制暗电流，促进载流子在密堆量子中的传输。通过本项目研究，阐明载流子的传输机制，获得优化的结构，大大提升密堆量子点太阳能电池的光电转换效率。

本项目按计划成功研制了三维有序密堆量子点太阳能电池，系统研究了三维有序密堆量子点太阳能电池中光生载流子的产生、分离及传导过程。在本项目的研究中，我们认识到合理的量子点电池结构是提高光电转换效率的关键，还研发了ITO/CdS纳米纤维、ZnO/CdS分级结构等高效量子点太阳能电池。本项目发表SCI论文11篇，申请发明专利3项，授权1项。主要成果概述如下：. 反蛋白石结构是一种尺寸均一、周期排布孔洞的三维密堆结构，与其他三维纳米结构相比，反蛋白石结构具有完美的周期性和对入射光的调制作用。当作为太阳能电池的电极时，其大比面积的孔壁可以促进电荷分离；而规则的周期性结构引起的散射效应可以延长光的传输路径，从而增强对入射光的利用。尽管反蛋白石结构具有以上优势，但由纳米晶组成的孔壁存在大量缺陷和界面，导致其电荷传输性能较差，所以当应用于太阳能电池时难以获得较大的光电流。我们将聚苯乙烯微球和CdS量子点共组装在透明导电基底上制备了CdS反蛋白石结构，然后对其进行电沉积和退火处理，使原始的CdS量子点和电沉积的CdS纳米颗粒融合长大，最终获得的CdS晶粒尺寸与反蛋白石结构孔壁的厚度相当，大大提高了电荷传输性能，他们将高导电的CdS反蛋白石结构应用于液态电化学电池，获得了2%的光电转换效率，达到两电极法测试时CdS纳米晶电池的最高水平。