基于透明的双面TiO2纳米管/ITO电极的CdS/CuInS2量子点敏化太阳能电池研究

The main reasons for the low efficiencies of QDSCs are low quantum dots (QDs) loading amount due to the limited space in the nono porous electrode, narrow absorption spectrum of QDs, and serious charge recombination. In this project, a new transparent photoelectrode with novel structure, i.e., double-sided CdS and CuInS2 cosensitized TiO2 nanotubes/indium-tin-oxide glass electrode, will be fabricated to improve the efficiencies of QDSCs. In comparison to common single-sided structures, this double-sided structure provides more space in the photoelectrode, which will result in an increased quantum dots (QDs) loading amount and extend the range of light absorption by respective sensitization of CdS and CuInS2 QDs on each side. In addition, a ZnO thin film as an energy barrier layer will be deposited on the surface of TiO2 nanotubes to reduce the photo-generated charge recombination. In this project, the surface morphology, optical property and photoelectrochemical properties of the transparent and double-sided electrode will be systematically studied to reveal the influences of double-sided structure of the electrode and deposited CdS and CuInS2 QDs on the generation and transportation mechanisms of photo-generated charges and the efficiencies of QDSCs. This research will provide scientific guidance to improve the photoelectric conversion efficiency of quantum dot sensitized solar cells by improving the electrode structure.

量子点敏化太阳能电池光电转换效率较低的主要因素包括较低的量子点负载量、量子点较窄的光吸收范围、及严重的光生电荷复合。为提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率，本项目拟制备一种结构新颖的透明光电极，即双面CdS和CuInS2量子点共同敏化的TiO2纳米管/ITO玻璃光电极。相比普通单面结构的电极，这种双面结构的光电极能提供更大的多孔空间，这既能提高量子点的负载量，又能通过在透明电极的两个面上分别敏化具有不同能带带隙的CdS和CuInS2量子点来扩展光电极的光吸收范围。此外，为了减少光生电荷的复合，在TiO2纳米管表面沉积了一层ZnO能量阻隔层。本项目将对透明双面电极的表面形态、光学性质和光电化学性质进行系统地研究，揭示电极的双面结构和沉积的CdS和CuInS2量子点对光生电荷的产生和输运机制，以及电池光电转换效率的影响规律。本项目的研究将对通过改进光电极的结构提高电池的光电转换效率提供指导。

量子点敏化太阳能电池提供了一种利用太阳能的途径。然而，该类电池的光电转换效率较低，其主要因素包括较低的量子点负载量、量子点较窄的光吸收范围、及严重的光生电荷复合。为提高该种电池的光电转换效率，本项目主要进行了两个方面的研究内容：1、本项目研究制备了双面TiO2纳米管/ITO透明光电极，这种双面结构的光电极相比普通的单面结构电极能提供更大的多孔空间用来沉积更多的量子点；2、本项目采用具有不同能带带隙的CdS和CuInS2量子点来敏化制备的双面透明电极，以此扩展光电极的光吸收范围。本项目对透明双面电极的表面形态、光学性质和光电化学性质进行系统地研究，揭示电极的双面结构和沉积的CdS和CuInS2量子点对光生电荷的产生和输运机制，以及电池光电转换效率的影响规律。. 本项目的研究结果表明：相比普通单面TiO2纳米管/ITO光电极，CdS敏化的双面TiO2纳米管/ITO光电极在光吸收上明显增强，并且光电转换效率提高了1.2倍，这主要是由于双面电极上沉积了更多的CdS量子点。该结果反映了双面TiO2纳米管/ITO玻璃光电极的优势；进一步地，相比基于仅用CdS敏化的双面TiO2纳米管/ITO玻璃光电极的量子点太阳能电池，基于CdS/CuInS2量子点共敏化的TiO2纳米管/ITO玻璃光电极的量子点太阳能电池显示出了更高的光电流和光电转换效率；后者的最高光电转化效率在AM 1.5G太阳模拟光下达到了1.42%，这是仅有CdS量子点敏化的双面TiO2纳米管/ITO玻璃光电极量子点太阳能电池的光电转化效率（0.65%）的2.2倍。主要的原因是CuInS2增强了电极的光吸收范围，并有效减少了电极中的电荷复合。. 本项目的研究将对通过改进光电极的结构提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率提供科学指导。