《量子點敏化太陽能電池的超快太赫茲光譜研究》是依託中國工程物理研究院流體物理研究所，由朱禮國擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：量子點敏化太陽能電池的超快太赫茲光譜研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：朱禮國
- 依託單位：中國工程物理研究院流體物理研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目擬針對量子點敏化太陽能電池中光吸收效率高但光電轉化效率低的問題，利用超快太赫茲光譜對其進行電荷轉移機理的研究。該太陽能電池的核心是由半導體量子點與金屬氧化物納米線陣列合成的複合結構。光生電荷在這種結構中的產生、轉移以及輸運過程是光電轉換的關鍵，同時也是國內外研究的熱點和難點。本項目擬利用具有亞皮秒時間解析度的太赫茲光譜圍繞該結構的電荷轉移開展：（1）載流子產生瞬間的輸運性質的研究、（2）不同材料、大小的量子點和不同吸附間距的結構製備的電池中光生載流子從量子點轉移到納米線陣列的機理的研究、（3）結合Marcus理論進行系統的實驗和理論分析，（4）自由電子在金屬氧化物納米線陣列中的輸運和動力學過程。通過以上研究，項目預期：（1）實現將超快太赫茲光譜系統地引入到對量子點敏化太陽能電池的研究，（2）獲取該太陽能電池中光電轉換的機理和限制因素，（3）為製備具有高光電轉化效率的量子點敏化太陽能提供科學依據。
結題摘要
矽基材料用做太陽能電池中的光伏材料已經有非常長的時間。但由於其對可見光的吸收，導致光電轉化效率不能提高，因此研究人員開始設計各種以矽為基礎的納米材料以提高可見光的吸收效率。其中量子點敏化矽納米線陣列就是用來提高太陽能吸收效率的一種結構。通過設計陣列結構即可容易地獲取更高的吸收效率，然而另一個在研究光伏材料中需要考慮的問題就是太陽光激發產生的自由電子壽命，即生成的自由電子需要在多長時間內轉移走才不會衰減消失。這涉及到自由載流子的動力學過程。壽命越長，越有利於光能轉化成電能。 雖然量子點敏化矽納米線中載流子壽命還未被研究，但是通過對其他納米線載流子的研究表明利用化學生長方法得到的納米線存在大量的晶格缺陷，從而導致自由載流子的壽命被大大地降低。 這么短的壽命為自由電子的轉移帶來了很大的麻煩。因此本項目利用化學刻蝕方法製備量子點敏化矽納米線陣列，能很好地保留納米線內容晶格的完整性，不會在內部引入缺陷；並對其載流子的性質和壽命進行研究。 另外一個關於增大光能轉化為電能的機制在於被吸收光子轉化成自由電子的量子效率。通常情況下，當入射光子的能量超過半導體禁頻寬度時，電子會被激發，並且激發到高能態，隨後電子將多餘的能量轉移給聲子變成無用的熱能。為了利用額外的這一部分光子能量,通過減小材料的尺寸進而提高電子–電子相互作用，從而實現了一個光子產生多個自由電子。這樣就能成倍地增加太陽能轉化成電能的效率。本項目通過對矽納米線表面進行量子點敏化處理，從而增強量子點內的電子–電子相互作用，為最終在量子點敏化矽納米線陣列中實現載流子倍增提供幫助。 在本項目的支持下，我們圍繞著化學刻蝕得到的量子點敏化矽納米線陣列用作太陽能電池的光伏材料完成的一系列實驗的結果。在介紹完量子點敏化矽納米線陣列的製備方法和過程之後，我將介紹對其開展的四個方面的工作。(1) 利用瞬態太赫茲輻射光譜來驗證我們製備的量子點敏化矽納米線陣列對可見光吸收效率的增強效應。(2) 利用太赫茲時域光譜研究量子點敏化矽納米線中光生載流子的輸運性質；其中將主要討論在量子點敏化矽納米線上光生載流子以表面電漿激元集體激發模型存在的形式以及其性質。(3) 用時間分辨的太赫茲光譜系統研究光生載流子的動力學過程，包括對光生載流子的壽命等性質的研究。(4) 納米線後期處理對光生載流子性質的影響。
