ZnCuInS/ZnS量子點太陽電池關鍵問題的研究

《ZnCuInS/ZnS量子點太陽電池關鍵問題的研究》是依託吉林大學，由高文竹擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：ZnCuInS/ZnS量子點太陽電池關鍵問題的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：高文竹
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

ZnCuInS/ZnS 量子點是無重金屬綠色量子點材料，替代毒性較大的 Cd、Pb族量子點材料，對製備無毒綠色太陽電池具有重大意義。本項目擬解決目前量子點光伏器件對有毒重金屬材料依賴的問題，對其中關鍵的科學問題進行研究：從躍遷機理入手，研究元素組分對 ZnCuInS/ZnS 量子點能級結構的影響，建立 ZnCuInS/ZnS 量子點能級結構模型；去除ZnCuInS/ZnS量子點表面有機長鏈配位體，提高 ZnCuInS/ZnS 量子點光生載流子遷移率；研究載流子遷移層和量子點有源層的幾何尺寸、退火溫度對載流子輸運特性的影響，製備ZnCuInS/ZnS 量子點太陽電池。目標：揭示 ZnCuInS/ZnS 量子點光生載流子躍遷機理，合成高載流子遷移率、無毒 ZnCuInS/ZnS量子點，製備出世界領先水平的 ZnCuInS/ZnS綠色量子點太陽電池，太陽電池轉換達到 5.2%。

結題摘要

量子點太陽電池具有效率高、低成本、柔韌性好的特點。利用高比表面積量子點薄膜，獲得高的轉換效率，而且量子點具有量子尺寸受限效應，會導致多激子產生，理論預計轉換效率可以達到60.3%以上，遠高於非納米材料太陽電池的理論預計轉換效率。ZCIS/ZnS和Ag2Se膠體量子點是兩類低毒材料，在膠體量子點光電器件中有著良好的套用前景。我們合成出不同尺寸的ZCIS/ZnSe/ZnS和Ag2Se量子點，量子點螢光量子產額達到40%以上；研究這些量子點尺寸依賴的發光特性、溫度依賴的物理性質和組分依賴的發光性質，發現這些膠體量子點的能級結構是尺寸、溫度、組分多重因素依賴的，由此分析得出其發光機制為多種缺陷能級輔助的輻射躍遷。在此基礎上，我們確定了這些材料的能級結構，擬合實驗數據得到描述材料特性的參數。開展膠體量子點太陽電池的結構設計的研究，包括器件結構、量子點尺寸、電極特性等三個方面，我們製備出三種類型的量子點太陽電池。一種是採用超薄量子點薄膜結構，在ITO基底上旋塗厚度40nm 的PEDOT:PSS薄膜，然後中將量子點薄膜（光敏層厚度＜100 nm）旋塗在PEDOT:PSS上；利用EDT處理量子點活化區，再將ZnO 納米晶旋塗在量子點活化層上；最後，在ZnO 納米晶層上沉積100nm的Al電極。這種結構器件的開路電壓、填充因子和PCE分別達到0.40 V、0.46、5.12%。另一種是製作疊層結構量子點太陽電池。利用不同尺寸（具有不同的帶隙）的量子點組成多結太陽電池器件，充分增加活化層的吸收光譜範圍，有利於利用寬闊的太陽光譜。實驗數據表明，疊層器件性能好於兩種單結太陽電池。第三種是石墨烯電極太陽電池：在包覆石墨烯電極基底頂部旋塗MoOx薄膜，然後旋塗厚度40nm 的PEDOT:PSS薄膜，再將厚度220nm的量子點薄膜旋塗在PEDOT:PSS上。使用0.001 M的BDT溶液對量子點薄膜進行鈍化處理。最後，將ZnO 納米晶旋塗在量子點活化層上，在ZnO 納米晶層上沉積100nm的Al電極。器件的短路電流、開路電壓、填充因子和功率轉換效率分別是19.2 mA/cm2、0.42 V、44.1%、3.56%。在上述研究基礎上，我們發表SCI檢索學術論文13篇，影響因子大於3.0的10篇；申請發明專利3項，獲得授權3項；培養博士研究生3人，碩士研究生2人。