多组分量子点共敏化太阳能电池的制备与光电性能

Compared to traditional dye-sensitized solar cells (DSSC), quantum dots sensitized solar cell (QDSC) with the same low cost and high efficiency showed adjustable light absorption, larger light extinction and higher optical stability. Based on these advantages and unique properties, QDSC is expected to exhibit a higher stability and photoelectric conversion efficiency. The narrow spectral range of single quantum dot material determined the lower efficiency of the corresponding QDSC. In order to obtain higher conversion efficiency of solar energy, the project planed through the development and application of photoelectric conversion semiconductor materials with different band gap and good light stability to comprise photoelectric conversion composite materials, the use of transparent, double-walled and bamboo type titania nanotube arrays electrode as the sensitization substrate, so as to broaden the spectral response range of QDSC and significantly improve the photoelectric conversion properties. This project mainly focused on (1) the preparation of high photoelectric conversion semiconductor nanomaterials; (2) the design and synthesis of novel quantum dot sensitized electrode; (3) the assembly and photoelectric properties of co-sensitized solar cells composed of novel TiO2 nanotube arrays and quantum dots. New breakthrough will be produced on the aspects of the total efficiency of QDSC.

相比于传统的染料敏化太阳能电池(DSSC)，同样低成本较高效率的量子点敏化太阳能电池(QDSC)具有可调节的光吸收、更大的消光吸收和更高的光学稳定性等优点和特性，使得QDSC有望表现出更高的稳定性和光电转换效率。采用单一敏化材料的量子点敏化太阳能电池(QDSC)利用的光谱范围较窄从而导致效率不够理想。为了得到更高的太阳能转化效率，本项目计划通过开发应用不同能隙宽度与光稳定性好的光电转换半导体材料组成光电转换复合材料拓宽该型太阳能电池(QDSC)的光谱响应范围，以透光型、双层竹节状二氧化钛纳米管阵列电极作为敏化基底，实现构建宽光谱响应QDSC并显著提高其光电转换性能。本项目主要围绕(1)高光电转换功能半导体纳米材料的制备；(2)新颖量子点敏化电极的设计与合成；(3)新颖二氧化钛纳米管阵列量子点共敏化太阳能电池的组装与光电性能等关键问题进行基础研究，争取实现量子点敏化太阳能电池效率的突破。

如何进一步扩大敏化电极的光响应范围以及提高光电转换效率是当前光电转化研究领域的热点之一。目前可行的方案之一就是实现敏化电极制备由单层逐渐向多层方向发展，结合优化的一维高比表面积电极基底，预计将显著提升光电转化效率。基于以上背景，项目研究的第一部分是具有高比表面积双层竹节状二氧化钛纳米管阵列材料的成功制备，这对于提高量子点敏化材料的负载量具有积极的意义。所得双层竹节形貌可以为量子点材料的敏化提供大量而充足的场所，相比于传统单层纳米管材料，改善的量子点敏化负载量可以显著提高光电流数值。此外，优异的一维阵列结构可以为光生电子的快速传输提供通道。从而有效降低电子-空穴的复合几率，提高光生电子的跃迁效率和被捕获的效率。在获得一维高比表面积电极基底的基础上，本项目分别采用电沉积法和化学浴沉积法将CdTe和CdS量子点纳米晶材料引入到TiO2纳米管阵列上制备CdTe/CdS量子点共敏化TiO2光电极。利用多种测试手段对所得样品的形貌、晶型和组分进行表征。在模拟太阳光照射条件下，通过电化学工作站测试其光电化学性能。研究结果表明，相对于单一量子点敏化CdS/TiO2和CdTe/TiO2光电极而言，共敏化CdTe/CdS/TiO2光电极表现出更好的光电转化性能，短路电流密度和光电转换效率分别可以达到3.1 mA•cm-2和1.85%。此外，采用电化学阻抗测试技术对材料性能提升的原因进行深入的探究。.研究结果显示： (1)优化的多层量子点敏化电极材料具有更宽的光谱响应范围，更小的电阻，因而可获得更多的光生电子。(2)通过CdS量子点后敏化处理，构建能级匹配的电子跃迁结构，从而有利于电子的快速跃迁，获得更高的光电转换效率。(3)实验采用后煅烧处理工艺，可以改善量子点之间以及与TiO2纳米管之间界面的接触，从而有利于光生电子的跃迁和传输。