[01138606]可见及近红外宽光谱响应的高效量子点敏化太阳能电池

以量子点为基础的太阳能电池为实现高效太阳能光电转换开辟了一个新方向和新技术途径。量子点敏化半导体纳晶薄膜太阳能电池作为一类量子点太阳能电池受到国内外研究者的广泛重视。其特点是可利用量子点的量子尺寸效应,进行能带结构的剪裁,使其带隙和带边位置可调,实现其光能吸收范围与太阳光光谱匹配、带边位置与半导体纳晶能级匹配,达到高效采集太阳光能和光生电子向半导体纳晶导带的高效注入。充分利用近红外区的太阳光能,扩展太阳能电池的工作光谱从可见光区到近红外光区,增加近红外光区的太阳光能吸收,将是提高太阳能电池光电转换效率的一条有效途径。PbS是窄带隙的IV-VI族半导体材料,体材料的禁带宽度为0.41 eV。其激子波尔半径为18 nm,通过量子点尺寸的改变可以调节其吸收带边从3024 nm一直到可见光区。因此,利用PbS量子点敏化半导体纳晶薄膜可以有效利用太阳光谱中的全部可见光和大部份近红外光,使采集太阳光能效率,特别是近红外区的采集效率得到提高。然而负载量子点常用的TiO2和ZnO纳晶薄膜的导带能级与PbS的导带能级匹配性不好,影响PbS量子点的光生电子注入效率,为了能有效向纳晶薄膜注入光生电子,需要降低半导体纳晶薄膜的导带位置。SnO2纳晶的导带位置比TiO2和ZnO纳晶低约0.3～0.5 eV,将有利于光生电子从PbS量子点注入到SnO2的导带。同时,对纳晶进行金属或非金属的掺杂,可以在一定范围内进一步调节半导体纳晶的能带位置,使之更好地与PbS量子点的能级相互匹配。 综上所述,本项目选择具有强量子尺寸效应的PbS量子点敏化具有不同能带结构的SnO2和TiO2纳晶薄膜。利用量子尺寸效应调节量子点带隙,使其光谱吸收从可见区扩展至近红外区,实现高效采集太阳光能。同时调控能带位置,使量子点与半导体纳晶薄膜能级相互匹配,达到光生电子有效注入,减少能量损失的目的。通过采用纳晶掺杂、纳晶薄膜微结构的优化设计、量子点/纳晶薄膜表面缺陷的钝化、空穴传输材料的选择和空穴传输层制备方法的改进等技术方法和手段,优化量子点敏化半导体纳晶薄膜的光生电荷多步动力学过程参数,提高光生电子注入效率、膜内电子输运和空穴转移速度,减少光生电荷的复合。在此基础上,提高其光电流转换效率,特别是近红外区光电流转换效率。 本项目的创新点有以下几方面： 1) 强量子限域效应的窄带隙PbS量子点敏化半导体纳晶薄膜,具有采集太阳光能从可见区扩展至近红外区的潜力,以及增加近红外光区的光电流量子效率的能力。这是用其它量子点敏化不易实现的,本项研究的PbS量子点敏化半导体纳晶薄膜太阳能电池,可以实现增加近红外光区（800～1200 nm）的光电流量子效率,使光电转换效率得到明显提高。 2) 为提高量子点PbS敏化半导体纳晶薄膜的光生电荷分离、注入效率,减小能量损失,本项目通过多种调节途径使量子点与半导体纳晶的导带能级相互匹配。这些途径包括：改变量子点尺寸,进行量子点的导带、价带能级位置的有效调控：选择具有导带能级相对量子点能级更为合适的半导体纳晶：进一步采用金属或非金属掺杂方法,对半导体纳晶的能级进行小范围调节等。将采取的几种途径加以有效的结合,成功实现能级的最佳匹配,达到提高光生电子注入效率,減少光电转换过程中的能量损失,有利于光电转换效率的提高。 3) 为了改善固态空穴传输层与量子点敏化纳晶薄膜的界面接触性能,优化空穴转移动力学过程,本项目在选择能级位置合适的有机空穴传输材料的基础上,采用电化学或化学现场聚合高分子空穴传输材料层的方法为提高太阳能电池的光电转换效率提供了保障。对进一步研究和发展新型高效量子点敏化太阳能电池具有重要意义。 本项目研制的宽光谱响应量子点敏化纳晶薄膜太阳能电池是以新一代半导体材料为基础,具有很大提高光电转换效率的潜力,并且性能稳定,制造工艺简单,成本低廉,有很强的应用前景。