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量子点敏化太阳能电池是一种以量子点为光敏化剂,吸附于半导体晶膜之上制备的光化学太阳能电池。由于量子点敏化太阳能电池具有制备简单,成本较低,以及较高的理论效率,因而吸引了众多研究者的关注。
目前,硒化镉(CdSe)量子点敏化太阳能电池的光电转换效率较低,电池的各项光电参数值与实用化的标准还有较大的距离。但随着CdSe量子点尺寸的改变,其吸收光谱可以覆盖整个可见光谱范围,因此CdSe量子点敏化太阳能电池具有很重要的应用前景。同时,由于量子点的多激子效应,量子点敏化太阳能电池的理论效率可超过32％。因此,如何提高硒化镉量子点敏化太阳能电池的效率成为一个重要的课题。
本文使用油酸包裹的硒化镉量子点制备出量子点敏化太阳能电池。分析了太阳能电池的光电流、开启电压和填充因子等光电参数,尝试解决了量子点在半导体晶膜(二氧化钛和氧化锌)上的吸附问题,计算出电子从CdSe量子点传输到半导体晶膜上的速率常数,并进一步研制出新型CdSe量子点太阳能电池,从而提高了CdSe量子点敏化太阳能电池的光电流和填充因子,最终提高了电池的总光电转换效率。
本文首先回顾了太阳能电池的发展历程,概述了太阳能电池的种类、结构、原理以及目前存在的问题,然后着重对量子点敏化的太阳能电池制备及优化条件进行了深入的研究和探讨,最后制备了新型结构的硒化镉量子点敏化太阳能电池。本论文的主要研究成果总结如下:
1.设计了油酸包裹CdSe量子点的新型光阳极
首先,本论文基于量子点合成的原理,采用高温分解法制备出油酸包裹的CdSe量子点。通过改变反应温度,调控CdSe量子点颗粒尺度。然后,采用间接吸附法,直接吸附法,以及电泳吸附法,首次将油酸包裹的CdSe量子点组装至半导体晶膜上形成电池的光阳极。相比于文献报导,油酸包裹的CdSe量子点更有利于在半导体晶膜上的吸附,在同样的实验条件下,其太阳能电池的效率比三辛基氧膦包裹的CdSe量子点敏化’太阳能电池效率提高了64%。
2.设计了基于复合敏化剂的量子点敏化太阳能电池
本论文研究了复合敏化剂对电池效率的影响。研制了三种类型的复合敏化剂的光阳极基板:ZnO/CdS量子点/CdSe量子点、ZnO/CdSe量子点/黑色染料以及TiO2/CdSe量子点Ⅰ/CdSe量子点Ⅱ的敏化太阳能电池。采用复合敏化剂,光电极的光谱吸收范围(350-900nm)得到了极大的提高,光电流以及电池的光电转换效率也随之提高。在复合敏化剂的太阳能电池中,最高的光电转换效率为3.30%,相比于单一敏化剂的量子点敏化太阳能电池,效率提高了两倍。
3.设计了基于复合基板的CdSe量子点敏化太阳能电池
目前的量子点敏化太阳能电池的效率较低,其主要原因是半导体晶膜上电子和空穴的复合几率较高,电子不能有效的传输与收集到光阳极上。本论文继ZnO纳米棒为基板的量子点太阳能电池的基础上,又制备了以碳纳米管/ZnO以及石墨烯/ZnO复合基板的量子点敏化太阳能电池。由于碳纳米管和石墨烯具有较高的电子迁移率,我们将这两种材料分别应用到量子点敏化的太阳能电池的光阳极中,制备出复合基板的量子点敏化太阳能电池。实验结果证明这种新型结构可以有效的提高电子从量子点的激发态转移到半导体导带上的驱动力,使得电子传输速率增大,因而降低了电子和空穴的复合几率,增加了电池的总光电转换效率。在复合基板的硒化镉量子点敏化太阳能中,最高的光电转换效率为1.72%,较单一材料基板的太阳能电池效率提高了50%以上。