高效CdSe量子点敏化太阳能电池光阳极的优化研究

摘要

环境和能源的可持续发展已成为当今世界影响人类社会发展的最重要问题之一。随着经济的快速发展，人们对能源的需求不断增长，而传统能源的有限储量以及使用过程的环境污染问题已受到人们的广泛关注。因此，开发并利用清洁能源已刻不容缓。太阳能作为清洁能源的主要代表，具有零污染、资源丰富、分布广泛等优势，有着不可替代的研究与应用价值。量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)是一种可将太阳能转换为电能的器件,其具有制备工艺简单，生产成本低廉等优点，而成为目前低成本太阳能电池领域的研究热点之一。然而，当前 QDSSCs的光电转换效率仍远低于其理论效率(44％)。研究发现，优化QDSSs的光阳极是提高其光电转换效率的最有效途径之一。
　　本研究主要内容包括：⑴通过优化TiO2光阳极薄膜的光散射能力，并保证其比表面积，将有效地提高QDSSCs的光俘获效率，进而提高电池效率。我们利用对可见光具有强散射能力的TiO2纳米棒微球与具有高表面的纳米晶颗粒，以不同比例混合制备了TiO2纳米棒微球/纳米颗粒梯度光阳极，并以此光阳极封装了 QDSSCs，该电池的效率达到了4.11%。在相同条件下，比基于纯纳米颗粒光阳极、纯纳米棒微球光阳极以及均匀混合光阳极的电池效率分别提高了15%、27%和14%。电池性能增强的原因主要为在梯度膜中的TiO2纳米棒微球具有极强的光散射能力，随着光入射深度的增加，纳米棒微球的占比逐渐增大，光散射效应逐渐加强，同时混入的纳米颗粒也保证了光阳极具有较大的比表面积。该工作为获得高效率的量子点敏化太阳能电池提供了可供选择的光阳极制作方法和结构。⑵具有高结晶质量和强量子点吸附能力的光阳极，将有效地提高QDSSCs的光电转换效率。通过简单的一步水热法合成了暴露大量<001>面的锐钛矿TiO2纳米片，以此纳米片光阳极制备的QDSSCs光电转换效率高达5.01%，在相同条件下，相比于TiO2纳米晶光阳极的QDSSCs效率高出了63%。电池效率提高的主要原因为 TiO2纳米片光阳极具有大的孔径易于量子点的渗入，并且大量暴露的高能001面极易于胶体量子点表面覆盖的多功能分子链（羧基）吸附，从而使量子点的吸附量大大增加，进而提高了光捕获效率和短路电流。而且，纳米片良好的结晶性、大的颗粒尺寸和低的表面积使得缺陷态较少，利于电子输运和延长电子寿命。该工作为获得高效率量子点敏化太阳能电池提供了一个比较理想的光阳极材料。