基于三维有序TiO2的共吸收量子点敏化太阳电池

量子点敏化太阳电池因量子点的独有特性和其技术的巨大潜力而受到研究者的关注，成为了新一代太阳电池的研究热点。本研究拟对一种全新的具有共吸收和三维有序网络结构双重特点的量子点敏化太阳电池的制备及特性进行研究，该电池具有更宽的吸收光谱和更有效的电子传输能力。研究内容包括：（1）制备具有反蛋白石结构的三维有序TiO2多孔薄膜，研究其对电子传输和电池性能的影响。（2）量子点敏化剂的开发和合成，制备系列II-VI族和III-V族量子点材料，实现对材料化学组分、尺寸的控制，实现量子点与TiO2之间的最佳能级匹配。（3）共敏化量子点的开发及全新结构电池器件的制备及性能研究，拓宽吸收光谱，调节电荷注入，并探索提高此类电池工作寿命的有效途径。（4）利用EIS交流阻抗分析技术研究电子在量子点敏化电池内部的传输特性。本项目研究意义不仅是期待在电池效率上的突破，也旨在对量子点敏化技术与薄膜界面特性研究提供重要参考。

染料敏化太阳电池（DSSC）以其成本、应用性和环保的优势在新一代太阳电池中备受关注。其中，量子点敏化太阳电池（QDSSC）基于量子点碰撞电离效应，可藉由选择不同带隙的材料及控制粒径的尺寸来调控所需的吸光波长，极具应用潜力。QDSSC的主要问题在于量子点本身的吸光范围不够宽，而电子导体主要材料TiO2薄膜亦常会发生表面空洞被阻塞的情况。本项目对一种全新的具有共吸收和三维有序网络结构双重特点的量子点敏化太阳电池进行了制备与研究，主要研究成果如下：1、用液相沉积法制备出制备具有反蛋白石结构的三维有序TiO2多孔薄膜，随后在反蛋白石结构TiO2多孔薄膜上采用化学浴沉积法成功制备了逐层沉积的单种量子点及共吸收量子点，并对吸收光谱进行了测量与分析，首次获得了高度清晰的“反蛋白石TiO2/CdS/CdSe”阳极的扫描电镜照片，获得了理想的高度三维有序TiO2结构，这种结构非常利于量子点在其上面的有序沉积，得到的CdS/CdSe共吸收量子点簇团平均尺寸为几十个nm，并可观察到TiO2/CdS/CdSe光阳极约300nm的大小的孔洞，较大的孔洞能提高量子点的沉积量而改善孔洞表面易被堵塞的情况，另一方面，大的孔洞会使得TiO2薄膜的比表面积较小，这一点虽不利于电池的光电转换，但却可通过此处采用的共吸收量子点予以弥补，拓宽吸收光谱，调节电荷注入，提高器件的光电转换效率。2、首次制备出基于三维有序网络结构TiO2的CdS/CdSe、PbS/CdS、PbS/CdS/CdSe及CdS/CdSe/PbS共吸收量子点敏化太阳电池，并进行性能表征； “反蛋白石TiO2/CdS/CdSe”结构的电池可获得相对较高的效率，经过界面修饰与优化的器件效率可达到3.8%；基于反蛋白石TiO2的三层共吸收量子点敏化太阳电池中，PbS/CdS/CdSe结构量子点可有效拓宽吸收光谱，形成三级阶梯式能级，便于电子逐级向TiO2电极有效跃迁，形成较大的电流，获得相对较高的能量转换效率（2.0 %）。3、利用电化学交流阻抗分析（EIS）技术研究电子在量子点敏化电池内部的传输特性，尤其是在接触界面的传输特性，阶梯状能级结构有利于激发态电子从量子点逐级传导到FTO 导电玻璃上；PbS/CdS/CdSe三层量子点结构中，PbS量子点的加入的同时电子寿命减少，故电池效率受到制约，相对于CdS/CdSe共吸收量子点反而有所下降。