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宽吸收，高电子注入效率量子点敏化剂的研发及其光伏应用认领

作者：

焦爽

学位授予单位：

华东理工大学

摘要：

开发高性价比太阳电池是解决能源短缺和全球变暖等问题的有效途径。基于量子点(QDs)敏化剂本身具有的诸多优异光电特性和多激子效应的潜能，量子点敏化太阳电池(QDSCs)作为低成本第三代太阳电池的杰出代表近来引起了科学家们的广泛关注。虽然量子点敏化太阳电池的理论光电转换效率高达44％，可是2012年之前其光电转换效率仍低于6％。效率低的本质原因在于:(1)常用的量子点敏化剂吸光范围窄，对太阳光的捕获效率低;(2)光生电子在太阳电池内部复合严重，导致电子在传输过程中大量损耗，利用率较低。本文旨在从材料设计的角度出发，开发出具有宽光谱响应范围，低表面缺陷态密度的量子点敏化剂，并借助高催化活性对电极材料，实现量子点敏化太阳电池光电转换效率的大幅提升。<br>　　本研究主要内容包括：⑴通过阴阳离子层交替吸附反应法制备了Type-Ⅱ核壳结构ZnTe/CdSe量子点，在双官能团配体分子巯基丙酸(MPA)的引导下将其高密度负载至二氧化钛介孔膜，并组装太阳电池。作为间接带隙半导体，核壳结构ZnTe/CdSe量子点中存在着Type-Ⅱ能带重排，其有效禁带宽度是ZnTe价带和CdSe导带间的能带隙。所以，ZnTe/CdSe量子点敏化剂的吸光范围可以拓宽至近红外区域。而ZnTe/CdSe量子点中光生载流子（电子和空穴）的空间分离提升了其光生电子注入二氧化钛导带的速率。此外，ZnTe/CdSe量子点/二氧化钛体系在光照下能够产生较强的诱导偶极作用，明显提升二氧化钛的导带位置从而提升电池的开路电压。基于ZnTe/CdSe量子点敏化剂，我们将量子点敏化太阳电池在一个标准太阳光下的光电转换效率提升至7.17％（官方认证效率6.82％），这是当时量子点敏化太阳的最佳效率。电化学阻抗谱，电荷提取测试，瞬态光栅光谱等表征手段验证了ZnTe/CdSe量子点敏化太阳电池中电子注入速率的加快和二氧化钛导带位置的上移。⑵基于体相材料的窄带隙和大激子波尔半径，PbS量子点的吸收边可以到达1200 nm以上。可是已见报道的PbS量子点敏化太阳电池的光电转换效率均低于6％，这主要归因于PbS量子点内部和量子点/二氧化钛/电解液界面严重的电荷复合。我们通过阳离子交换法在PbS量子点表面生长了CdS钝化层，并将其组装量子点敏化太阳电池。CdS钝化层明显降低了PbS量子点表面的缺陷态密度，有效抑制了电池内部的电荷复合，大幅提升了太阳电池的光伏性能。通过优化CdS钝化层的厚度，我们测得了7.19％的光电转换效率（Jsc=18.81 mA/cm2，Voc=0.595 V，FF=0.642），这是PbS量子点敏化太阳电池的最佳效率。⑶在量子点敏化太阳电池中，对电极的性能会影响氧化还原电对氧化态的还原再生速率，从而影响电子从外电路回传到电解液，进而影响电池的光伏性能。在宽吸收量子点敏化二氧化钛光阳极的基础上，我们开发了兼具高催化活性和低电荷传输阻抗的对电极材料以提升电池的光电转换效率。本文将氮掺杂介孔碳对电极首次引入到量子点敏化太阳电池的体系中。我们通过传统的二氧化硅模板法合成了一系列不同氮含量的氮掺杂介孔碳材料。电化学表征（电化学阻抗、塔菲尔极化曲线、循环伏安法测试）结果显示氮含量为8.58％的氮掺杂介孔碳催化聚硫电解质氧化态(Sn2-)还原的活性最强，相应的太阳电池具有最优光伏性能:平均光电转换效率达到12.23％，认证效率达到12.07％，这是量子点敏化太阳电池的效率记录。

摘要译文

关键词：

太阳能电池; 量子点敏化; 光电转换; 电池设计

学位年度：

2017

学位类型：

博士

学科专业：

无机化学

导师：

钟新华

中图分类号：

TM914.4[太阳能电池⑨];TM910.1[基本原理、计算]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储]