基于ZnO核壳纳米结构为电子受体的有机无机杂化太阳能电池及其效率改善研究

有机无机杂化太阳能电池因采用无机半导体作电子受体，理论上改进了聚合物电池中受体对光吸收不足、电荷迁移率低及电子迁移率比空穴迁移率低一个数量级等重要瓶颈问题而备受关注。但当前无机纳米晶电子受体受限于分散过程中的表面活性剂绝缘层严重影响D/A界面的电荷转移及电子在纳米晶之间的传输，杂化电池光电转换效率仍远低于理论值。本项目采用核壳结构修饰的高质量ZnO纳米线阵列作电子受体，单晶ZnO纳米线充当电荷输运通道杜绝了孤立区域，确保了器件中受体的高电子迁移率；窄带隙壳层增加了光长波吸收，核壳结构还可减少ZnO纳米线的表面缺陷态及其对光生激子的猝灭作用，降低输运过程中的电子遇空穴再复合几率，有利于激子的扩散及分离；结合新型聚合物及体相异质结微界面控制，还进一步降低了器件内阻及增加光吸收。因而理论上全方位提升了杂化电池在光吸收、激子扩散、电荷转移、电荷输运收集方面的性能，有望实现光电转换能量效率的新突破。

本项目围绕ZnO纳米材料有机无机杂化太阳能电池开展了系列工作，主要研究包括三部分：.（1）不同尺寸及密度ZnO纳米线阵列的可控制备及表面修饰制备ZnO纳米线核壳结构对ZnO纳米线光学性质的改善及光电效率的影响研究；（2）ZnO基有机无机杂化太阳能电池的制备与系列优化研究及TiO2基染料敏化太阳能电池性能提高的研究；（3）太阳能电池用类石墨烯结构二维薄膜材料光电性能研究。主要取得的结果为：通过控制生长条件，采用水热反应方法制备出了不同密度和尺寸的ZnO纳米线阵列，研究了壳层ZnS、Sb2S3、PbS等修饰对ZnO纳米线阵列光吸收的影响，发现壳层修饰对改变ZnO的光学吸收边有明显的效果，通过Sb2S3、PbS修饰后ZnO的吸收边分别出现了29和41nm的红移；并以ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Al器件为基本器件结构，将制备得到的ZnO纳米线阵列制备成ZnO基有机无机杂化太阳能电池，通过Sb2S3\PbS\PSBTBT\N719等有机或无机材料对ZnO无机层进行表面修饰、气氛退火、氧等离子体处理等系列处理来提高有机无机的接触界面，提高了载流子在有机无机界面处的产生及有效分离，进而提高了器件的效率，器件最大效率达到2.02%；以研究ZnO基有机无机杂化太阳能电池为出发点，研究了新型太阳能电池的制备及光学性质调控，如研究了ZnMg、NbCl5插层石墨烯后对石墨烯光学性质的改变并通过插层获得了稳定的p\n型石墨烯，制备出了MoS2单层二维薄膜材料，通过插层Zn、FeCl3调控研究了MoS2光学性质随插层物及插层条件的变化关系，等。这些新型材料均为制备高效太阳能电池器件提供了基础。. 总之，在本项目资助下，围绕ZnO核壳纳米结构为电子受体的有机无机杂化太阳能电池及其效率改善进行了系列创新性的基础研究，共发表SCI论文12篇(其中一篇已接收未发表），国际EI会议文章2篇， EI 文章1篇，申请专利9项，其中授权2项，参加国际学术会议2次，培养硕士研究生7名。