利用纳米晶表面结构调控的电荷分离提高纳米晶/聚合物太阳能电池性能研究

研究纳米晶表面结构控制的电荷分离对纳米晶/聚合物太阳能电池的能量转换效率的影响，优化纳米晶及其器件的结构是获得高效量子点光伏器件的关键科学问题。本项目将利用表面修饰的I和II型核壳半导体纳米晶和可控制纳米晶层沉积厚度的热胶联空穴传输材料以及共轭聚合物，实现对纳米晶与聚合物界面间的电荷分离和器件中电荷输运过程的调控以获得高效的纳米晶太阳能电池。合成高质量的I和II型核壳纳米晶，研究壳层结构和表面有机配体对量子点膜层光电性质影响；研究单层和多层结构器件中的表面结构对纳米晶太阳能电池性能的影响；研究纳米晶与有机配体的相互作用，分析电荷转移效率与纳米晶表面结构的关系及电荷在纳米晶/聚合物膜层中传输，构建优化的纳米晶表面结构，有效地增强电荷分离；探索纳米晶中的多激子对太阳能电池性能的影响。上述关键科学问题的研究，对解决因纳米晶/聚合物系统中的电荷转移效率低而导致器件性能差的难题具有重要的实际意义。

理解纳米晶表面结构调控电荷在量子点中有效分离机制，是优化量子点及其器件性能的关键科学问题。本项目中我们利用湿化学方法，设计合成了不同表面结构的Cu2ZnSnS4，CuInS2，CdTe和CdSe等核及核壳结构量子点，研究了合金及核壳量子点到有机电荷传输材料或无机金属氧化物的电荷分离过程，获得了如下创新性研究成果：（1）两相法合成Cu2ZnSnS4绿色环保纳米晶，实现了纯相多元纳米晶的可控生长；利用变温荧光光谱研究了CuInS2/ZnS纳米晶的发光机理，证实了包覆壳层钝化无辐射陷阱的机制；（2）利用时间分辨光谱研究了CdSe核壳量子点与有机空穴传输材料混合薄膜中的能量传递和电荷分离过程，发现纳米晶表面壳层结构和供体-受体能级结构对这些过程的调控机制；分析了ZnCuInS合金纳米晶尺寸和组分对从有机电荷传输材料到量子点的能量传递过程的影响；（3）研究了CuInS2核及其核壳纳米晶到TiO2薄膜的电子转移过程，利用电子隧穿模型解释了ZnS壳层对电子注入过程的影响；研究了CdTe/CdS量子点到ZnO的电子传输过程，小尺寸CdTe核是Type II结构，有利于电荷分离。上述结果表明通过改变纳米晶表面结构，可以优化基于纳米晶的光伏器件，为进一步提高器件性能提供了物理基础。