Ga摻雜ZnO納米線陣列電極型量子點敏化太陽能電池的研究

《Ga摻雜ZnO納米線陣列電極型量子點敏化太陽能電池的研究》是依託湖北大學，由王浩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：Ga摻雜ZnO納米線陣列電極型量子點敏化太陽能電池的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王浩
• 依託單位：湖北大學

項目摘要

量子點敏化氧化物半導體太陽能電池對提高光電轉換效率與降低成本具有重要意義。本項目提出一種量子點敏化Ga摻雜ZnO納米線陣列複合結構新型太陽能電池。通過有效Ga摻雜提高納米線導電率,並提供可能的電子俘獲中心，降低光生載流子的複合幾率；通過量子點（單一成分或兩種異質量子點配合）的中間能帶效應、多激子產生效應、及其對能帶偏移的調製，綜合提高光生載流子的產生、分離和注入效率，從而提高太陽能電池的能量轉換效率。系統研究Ga摻雜濃度和摻雜工藝對ZnO納米線陣列微觀結構（比表面積、取向度、結晶度）、電子結構和光學性能的影響，分別研究量子點的種類、尺寸及其在ZnO納米線表面沉積密度對太陽光吸收效率、能帶偏移與光電化學特性的調製作用，以最佳化的複合結構電極為基礎構築太陽能電池，研究各種結構參數與電池能量轉換效率之間的關係，為實現低成本、高效率量子點敏化半導體太陽能電池打下材料基礎。

結題摘要

本項目系統研究了ZnO、Ga摻雜ZnO、TiO2納米陣列的可控制備，量子點參數對納米陣列光電性能的影響，雙量子點殼層同軸電纜結構對提高飽和光電流的作用，以及量子點摻雜對光電極微觀結構及性能的影響。提出了一種採用近中性電解液電場輔助電化學沉積Ga摻雜ZnO的方法，解決了以往Ga摻雜對ZnO極性生長影響的問題，通過控制沉積電壓，可以對Ga摻雜ZnO陣列的長度和直徑進行控制。通過三步法組裝了Ga摻雜ZnO納米線陣列染料敏化太陽能電池，該電池既提高了ZnO基納米陣列的電導率，又克服了納米陣列與襯底接觸界面的電荷損失，同時Ga摻雜能減少ZnO表面缺陷，從而減少注入電子與染料、電解液的複合，所製備的太陽能電池光電轉換效率相對未摻雜ZnO納米線陣列電池有明顯提高。以ZnO納米線陣列為核，CdSe和CdTe雙量子點殼層作為敏化劑，在ITO上製備了雙殼層ZnO/CdSe/CdTe納米電纜陣列光電極，利用雙殼層本身的能級調整功能，實現了電子與空穴有效分離與快速傳輸，而且降低了氧化物電極、量子點、電解液之間載流子傳輸時產生的非輻射複合損失，獲得了～14.3 mA/cm2的高飽和光電流。在ZnO/CdTe納米電纜基礎上，利用連續原子層吸附反應的方法製備ZnS納米鈍化層，獲得ZnS修飾ZnO/CdTe核殼納米電纜陣列電極，ZnS層可起到表面保護作用，防止多硫電解液對CdTe的腐蝕，提高電極的化學穩定性；同時ZnS層還可鈍化表面缺陷，減少光生載流子的非輻射複合，飽和光電流密度從ZnO/CdTe的6.5 mA/cm2顯著提高到13.78mA/cm2。利用電化學沉積法在TiO2 納米棒陣列上合成CdSe量子點，CdSe吸收邊隨著沉積電量的增大逐漸紅移，當沉積電量為0.9 C時，光電極產生最大的飽和光電流8.57 mA/cm2。利用連續離子層吸附與反應方法在TiO2納米陣列上合成CdS量子點，當循環次數為70次時，TiO2/CdS光電極的飽和光電流最大，為3.6 mA/cm2。利用電化學沉積法製備了Co摻雜CdSe量子點敏化TiO2納米電極，Co摻雜可以調節CdSe的帶隙，拓寬其可見光吸收範圍，另一方面可以增加其載流子濃度，提高電子的傳輸速率，增加電極收集電子的效率，從而提高光電流密度。上述結果發表SCI論文15篇，獲授權發明專利2項，獲湖北省自然科學二等獎1項。