用于宽光谱光伏电池的能带梯度材料的研究

太阳能作为一种分布广泛、经济、绿色清洁的可再生能源，正成为建设可持续发展和节约型社会所需能源的重要对象。开展具有成本低、易加工、环境友好、光谱响应范围宽等特点的无机半导体薄膜光伏电池的研究，对提高太阳能资源的综合利用效率和发展新型光伏电池都具有显著的理论意义和应用价值。本研究以具有较宽光谱响应范围的无机半导体量子点薄膜光伏电池为研究目标，合成性质稳定的、结构可控的水溶性无机半导体量子点，发展新型纳米组装和沉积技术，通过能带结构匹配的方式，将具有不同能带结构的无机半导体量子点制备成层状薄膜，以形成能带梯度材料，从而拓宽无机半导体量子点薄膜对太阳光谱的响应范围，增强吸收系数，改善光生激子的分离效果，提高光伏电池的光电转换效率。通过本项目的实施，为宽光谱无机半导体量子点薄膜光伏电池的材料制备和结构优化等提供有益的实验数据和模型。

本项目研究旨在提高材料对太阳光的光谱响应范围，促进光生电子-空穴对的有效分离，从而应用到光电转换和光催化等领域。为此，本项目开展了四个方面的研究工作：各种量子点的合成，梯度薄膜的电泳沉积，敏化TiO2复合材料以及石墨烯- TiO2复合材料的的制备。研究结果表明，通过形成合金和核-壳结构，特别是利用不同半导体晶格之间的应变引起的能带结构变化，可以有效地拓宽水溶性量子点的吸收和发射范围，增强了量子点的稳定性。通过优化前驱体化合物的反应活性，选择适当的表面保护基团，可在实现在低温合成条件下CdTe的无膦化油相合成，所得量子点粒度分布窄、量子产率高。在梯度电场的辅助下，利用电泳沉积法可将这些量子点形成表面厚度梯度薄膜，以研究不同厚度的量子点薄膜的吸收和发射光谱性质的变化规律。利用多种具有不同能带隙的无机半导体量子点共同敏化TiO2一维材料薄膜，可以有效地拓宽复合材料对太阳光的吸收范围，同时在TiO2表面形成的能带梯度可以提高光生电子-空穴对的分离效果，从而增强了TiO2一维材料薄膜在太阳光下的光电转换能力，提高了光电流。将贵金属的表面等离子体共振吸收效应和石墨烯优异的光、电性质结合起来，也可以达到拓宽光吸收范围和促进光生电子-空穴对分离的目的，这类材料在可见光下具有优异的光催化活性。针对以上四方面的研究工作，本项目将各种材料应用到太阳能光电转换和光催化环境净化两方面，取得了较好的研究效果。通过以上研究，为宽光谱响应复合材料的制备和性能优化提供有益的实验数据。