CdSe量子点/Cu2O纳米柱阵列PN结的制备与光电转换性能研究

Quantum dot solar cells are becoming one of hot research topics due to their high theoretical energy conversion efficiency. Among them,the depleted heterojunction cell consisting a p-type quantum dots and a n-type semiconductor nanorod has been demonstrated to be a prospective structure to improve the performance of solar cell. However, the p-type quantum dot is relatively less than the n-type quantum dot, in addition, most p-type quantum dots have to be synthesis in harsh condition and are poisonous,which limit the application of the p-type quantum dot in solar cell. In this project, a novel structure consisting of n-type quantum dot/p-type nano-pillar array is designed. Combining electrical deposition and porous template method, Cu2O nano-pillar array will be synthesis on conductive glass, and then immerson or spin-coating will be used to coat quantum dots on the Cu2O nano-pillar array to fabricate p-n junction.The photoelectric conversion properties of p-n will be measured.Two aspects will be studied systematically, a)the effection of the size and S-doped concentration of CdSe quantum dots on the band gap and solar energy absorption efficiency, b) the relationship between the band gap of the quantum dots and electron transport at the interface. This project aims to find how to improve the absorption efficiency,the carrier transfer speed, and understand the underlying physical mechanism. The result of this project will provide a theoretical and experimental basis for developing high quality solar cells in the future.

量子点太阳能电池由于具有非常高的理论能量转换效率，成为现在科研领域的研究热点之一，其中由P型量子点与N型半导体纳米棒阵列构成的耗尽层异质结太阳能电池是一类比较有发展前景的电池结构。但是，目前P型量子点种类比较少，合成条件比较苛刻，大大限制了这类电池的应用进展。本项目设计了一种新型结构-N型量子点/P型纳米柱阵列结构，利用电化学辅助模板法，在导电玻璃上制备出高质量的Cu2O纳米柱阵列，利用浸泡吸附法和旋涂法将CdSe量子点涂覆在Cu2O纳米柱阵列上制备出PN结，测量由一系列不同尺寸、不同S掺杂浓度的CdSe量子点与Cu2O纳米柱阵列复合结构的光电转换性能，研究量子点尺寸和禁带宽度与太阳能吸收效率的关系、量子点的禁带宽度对电子在P-N结界面传输的影响规律。本项目旨在探索提高量子点太阳能电池的吸收率和电子迁移率的有效途径及其物理本质，为将来设计更高转换效率的太阳能电池提供理论基础和实验积累。

量子点太阳能电池是目前最新、最尖端的太阳能电池之一，其显著的量子效应和分立光谱特性，使其能量转化效率获得超乎寻常的提高，其极限值可达66%左右。尽管目前尚没有制备出这种超高转化效率的实用化太阳能电池，但是大量的理论计算和实验研究已经证实，量子点太阳能电池将会在未来的太阳能转化中显示出巨大的发展前景。本项目构建一种新型-N型CdSe量子点/P型Cu2O纳米柱阵列结构，系统研究和优化了电化学沉积法、阳极氧化法、液相法制备Cu2O纳米柱阵列及纳米薄膜；电化学沉积法、冷热交替化学浴沉积法、水相法以及水热法制备CdSe量子点；两次电化学沉积法、浸泡吸附法、提拉镀膜法、旋涂法涂敷量子点工艺制备CdSe/Cu2O异质PN结；水热法制备CdSxSey；电化学共沉积法制备CdSexTey量子点；电沉积-水浴法制备CdxPb1-xS/Se异质结；阳极氧化-冷热化学浴法制备TNTs/CdSe、TNTs/CdS异质结；电沉积法制备纳米硒等工艺，并研究了CdTe基量子点（CdS /ZnS-CdTe）能量转移性能与应用。用XRD、SEM、TEM、XPS、EDS、吸光光谱、I-V曲线、光电响应曲线、光电转换效率等手段和方法表征和检测了各制备工艺对样品的尺寸、形貌、组成、微观结构、光电压、吸光特性及其能带结构的影响，研究了量子点尺寸和禁带宽度与太阳能吸收效率的关系、量子点的禁带宽度对电子在P-N结界面传输的影响规律。本项目研究成果已在国内外发表SCI收录研究学术论文9篇、EI收录研究学术论文1篇，国内核心期刊10篇；获授权中国发明专利6项，申请中国发明专利8项；培养硕士研究生8名(其中已毕业6名，在读2名)；另还有部分研究成果正在形成论文及专利申请。本项目旨在通过优化量子点薄膜和纳米阵列薄膜的制备条件，探索提高量子点太阳能电池的吸收率和电子迁移率的有效途径，提示其物理化学本质，为将来设计更高转换效率的太阳能电池提供理论基础和实验积累。