多组分多尺寸量子点共敏化太阳能电池的制备(周廷军)

附件1：编号:石河子大学大学生研究训练计划项目申请书项目名称多组分、多尺寸量子点共敏化太阳能电池的制备申请人周廷军所在院系理学院物理系专业班级应用物理学10级（1）班申请人电话[phone]申请人[e-mail]指导教师侯娟导师所在单位石河子大学理学院物理系填表日期2011年12月8日石河子大学教务处二○一一年十月制一、申请人简况申请人姓名周廷军性别男民族汉出生日期1992.7所在院系理学院专业、年级应用物理10（1）班学号[e-mail]电话[phone]申请学分2分项目名称多组分、多尺寸量子点共敏化太阳能电池的制备1.申请人参加科研工作简历自何年月至何年月项目名称担任的工作2.申请人入校以来的主要专业必修课成绩课程名称类别学分成绩课程名称类别学分成绩电磁学必修586热学必修4.584高等数学必修484大学英语必修471力学必修6823.申请人入校以来获奖情况获奖名称获奖等级获奖时间授奖单位学校奖学金二等2010—2011石河子大学优秀学生团干部2010—2011石河子大学理学院4.项目组其他成员（不包括导师）姓名学号专业、年级所在学院分工签名王炯裕2010501297应用物理学10理学院制备和分析王炯裕韩梦2010501309应用物理学10理学院制备和分析韩梦陈欢2010501312应用物理学10理学院制备和分析陈欢注：此表用A3纸打印一式三份，批准后由教务处、学院及申请人各保存一份。项目编号由教务处统一编号。二、申请人对研究项目简要说明（一）立论依据※项目的研究意义开发新能源材料和利用新能源是当前世界各国必须首先解决的重大课题。而太阳能具有清洁、使用安全、取之不尽、利用成本低且不受地理条件限制等诸多优点，是解决能源和环境问题的理想能源，因此太阳能的开发是新能源研究的重要课题。由于传统太阳能电池在成本、稀有金属原材料及环境污染的等方面的缺点，人们对光敏化太阳能电池产生兴趣。光敏化太阳能电池包括染料敏化太阳能电池和量子点敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型太阳能电池，该电池具有明显的成本优势（目前约为硅电池成本的1/3—1/5），并且制备工艺简单，被认为是硅太阳能电池最有力的竞争者，应用前景普遍看好。DSSC主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。多孔半导体光阳极是DSSC电池的核心之一,它是染料分子的载体,同时也起着分离、传输电荷的作用[1]。由于TiO2在染料敏化太阳能领域应用最广，效率最高。因此在光敏化太阳能电池领域中，研究最多的光电极是TiO2。它以具有较好热稳定性和光化学稳定性的宽禁带半导体TiO2作为基体半导体材料,在其上吸附适当的敏化染料，借助染料在可见光的强吸收，可将TiO2光谱响应范围从紫外区拓展到可见光区[2]。决定DSSC光电性能的另一关键成分是染料敏化剂。目前反映使用效果最好的染料RuL2(SCN)2，但是其中的金属钌属于稀有金属，来源很少，价格昂贵。另外这种染料的制备过程也是相当复杂，这就成了电池成本降低的一个限制因素[1]。在DSSC的研究过程当中，作为光敏化剂的染料的光谱吸收特性和稳定性是很重要的因素，现在的敏化剂存在的一个共同问题是吸收光谱的范围比较窄，如果能够研究或找到更宽吸收范围的敏化剂，对于提升光电转化率将大有裨益。窄带隙的无机半导体材料可代替染料作为敏化剂，若将这些材料控制在量子效应范围内，则成为量子点敏化剂。使用量子点作为光敏剂的太阳能电池称为量子点敏化太阳能电池(QuantumDot-sensitizedSolarCells,QDSSCs，以下简称QDSSC)。而窄带隙半导体纳米晶如CdS、CdSe、PbS等因其具有吸光系数高、成本低、带隙可调、单光子可以产生多级载流子等优点已经被用于制作量子点敏化太阳能电(QDSSC)[3,4]。量子点敏化材料具有量子点所特有的量子限制效应、多激子激发效应、俄歇效应以及小带结构，这些效应可用来增强光电转化效率。量子点敏化剂与单一能带的有机染料相较，量子点敏化太阳能电池能通过多激子激发效应得到高于100%的量子产率，利用俄歇复合效应提高热电子的寿命，通过小带使电子传向外电路并提高电池的光电压，此外通过量子点粒径的控制，或是混用不同吸光范围的量子点材料，将可达到媲美有机染料的全波长吸光。除此之外，量子点材料因具有耐热的特性，能适用的范围更广。因此量子点敏化太阳能电池被视为一个具高潜力的未来电池。※量子点的国内外研究概况在量子点敏化太阳能电池的研究上，CdS、CdSe、InP等都是热门的光敏化材料。此外，Ag2S、Sb2S3和Bi2S3也有相关的研究发表[5]。而现今最佳效率为碲化镉、硒化镉共敏化得到的4.2%[6]。Lin等[7]利用由量子点敏化的TiO2光电极制作太阳电池，实现了Jsc=3.44mA/cm2的光伏特性。LiLing等[8]制作了CdS量子点敏化太阳池,其光伏参数分别为Jsc=3.0mA/cm2，VOC=1.2V和η=3.2%。AuttasitTubitmtae等[9]用连续离子层沉积AgSe量子点，使其敏化介孔薄膜光电极,使太阳电池的光电流转换效率1.76%。目前QDSSC的最高转换效率4%左右[10]，距离理论的86%以上的转换效率还有很大的差距，造成这一结果的主要原因有:一是很难使量子点在阳极材料中均匀分布并紧密的附着在其表面，二是电子在量子点之间的传输受到量子点表面态的影响，造成载流子损失严重。如果能进一步调节量子点的界面性质,改善量子点与量子点界面之间的电子输运过程,理论预计其能量转换效率可以大幅度提高。主要参考文献：[1]孔凡太，戴松元，染料敏化太阳能电池研究进展[J]，化学进展，2006，18（11）：1409—1424.[2]王青，夏咏梅，何祖明等，染料敏化太阳能电池光阳极及其敏化研究进展[J]，科技导报2009，7（1）：90—95.[3]宋鑫，量子点敏化太阳能电池：制备及光电性能的改进[D]，天津大学博士论文，2010.[4]熊艳玲，王婷婷，曾和，CdSe量子点/核壳结构的制备及在敏化太阳能电池中得应用进展[J]，有机化学，2010，30（11）：1790—1798.[5]廖鑫，杨峰，蒲华明等，PbS量子点/ZnO纳米片复合膜的制备及其光电化学性能[J]，无机材料报，2012,，7（1）：59—63.[6]LeeH.J.,WangM.K.,andGrätzelM.,et.al[J].,NanoLett.2009(9)4221-4227.[7]S.C.Lin,Y.L.Lee,C.H.Changetc[J].,Appl.Phys.Lett.,200790(14):143517.[8]LingLi,XichuanYang,JiajiaGao,etc[J],J.Am.Chem.Soc,2011,(133)8458-8460[9]AuttasitTubtimtae，Ming-WayLeeGou-JenWang[J],JournalofpowerSources,2011,(196)6603-6608[10]SunW.T.,YuY.,PanH.Y.,etal.,[J],J.Am.Chem.Soc.,2008,(130),1124-1129.（二）研究目标、主要内容、主要方法、拟解决的关键问题、预期目标及其研究成果和形式※研究目标本研究项目以量子点敏化太阳能电池为研究对象，采用水热法和溶胶-凝胶等化学方法制备TiO2、ZnO光阳极材料，运用刮涂法制备光阳极薄膜。采用连续离子层吸附反应方法直接在光阳极薄膜电极表面生成CdS、Ag2S量子点，成功制备量子点敏化太阳能电池。开展多尺寸、多组分量子点共敏化的复合结构的实验研究，探索量子点材料在光阳极薄膜表面的高效覆盖，期望通过量子点敏化提高光电转化效率。※主要内容1、TiO2、ZnO光阳极材料的制备采用溶胶-凝胶、水热法合成TiO2、ZnO纳米材料，经过系统性的实验研究，探索合成材料的最佳实验条件，表征产物的晶相、界面状况及其显微结构,并分析这一结构对改善TiO2、ZnO纳米材料性能的主要影响因素，得到性能较好的光阳极材料。2、TiO2、ZnO光阳极薄膜的制备将制备的TiO2或ZnO纳米粉体材料与粘结剂混合分散在无水乙醇中，通过旋蒸得到制备薄膜的浆料，采用刮涂法用玻璃棒将制备的浆料涂敷在洗净的导电玻璃基底上，然后进行烧结处理，得到光阳极薄膜。在实验中分析薄膜的厚度、烧结的温度对光阳极薄膜结构性能的影响，得到较好的薄膜制备条件。3、量子点的制备配置含有Ag、Cd、S离子的盐溶液，将阳极薄膜分别浸入配置的溶液中，采用连续离子层吸附反应方法直接在光阳极薄膜电极表面生成CdS、Ag2S量子点。在实验中可实现CdS、Ag2S共敏化光阳极薄膜，探讨多尺寸、多组分量子点共敏化的复合结构对量子点敏化提高光电转化效率的影响。4、量子点敏化太阳能电池的组装及性能测试将制备的量子点敏化的光阳极薄膜进行太阳能电池组装，以含Pt的导电玻璃为对电极，滴加电解液，组装电池，并将组装的电池在模拟太阳光下进行I-V曲线测试，计算光电转换效率。※技术路线※主要方法1.实验方法＊水热合成法：水热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中，采用水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度)，在反应体系中产生高压环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法。在水热法中水起到了两个作用：液态或气态是传递压力的媒介；在高压下，绝大多数反应物均能部分溶解于水，促使反应在液相或气相中进行。人们在水热过程中制备出纯度高、晶型好、单分散、形状以及大小可控的纳米微粒。＊溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是通过金属-非金属醇盐[M(OR)n]的水解和缩聚反应来制备金属-非金属氧化物的,最后获得的氧化物的结构和形态依赖于反应水解反应和缩聚反应的相对反应程度。当金属-氧桥-电池组装电池性能测试连续离子层吸附Ag2S、CdS量子点涂膜光阳极薄膜制备浆料TiO2、ZnO纳米材料水热合成溶胶-凝胶合成结构研究合成实验条件研究烧结聚合物达到一定宏观尺寸时,金属-氧桥-聚合物就形成网状结构,形成凝胶。＊连续离子层吸附反应：将阳极薄膜放入具有阳离子反应物的溶液中一段时间，取出后用去离子水冲洗以去除表面多余的反应物，之后再浸入具有阴离子反应物的溶液中进行反应，形成所需的半导体薄膜。如此分别浸入阳离子及阴离子反应物一次称为一个沉积循环。若经过反覆的沉积步骤，可进行多层的沉积。2.测试方法材料结构、形貌、性能表征分析：X射线衍射（XRD）——鉴定物质晶相，确定晶胞参数扫描电子显微镜及透射电镜——纳米材料粒径测试和形貌观察紫外/可见光谱——薄膜对不同波段的光的吸收测出半导体Eg电池性能分析:电流电压测试仪※拟解决的关键问题多组分、多尺寸量子点共敏化光阳极薄膜的实现是本项目拟解决的关键问题。※预期目标及其研究成果和形式成功实现多组分、多尺寸量子点共敏化量子点太阳能电池的制备，提高电池光电转化效率的方法，项目完成后写出项目总结报告，争取发表论文一篇，申报SRP优秀项目。（三）研究的进度安排（1）2012.1～2012.03文献调研、落实、细化方案；查阅文献，撰写开题报告，具体包括：掌握目前国际研究动态，结合第一阶段的准备工作，对完成本项目做出总体规划和布局，安排好实验和理论计算等方面的进度；（2）2012.03～2012.04进行TiO2、ZnO光阳极材料的制备，完成样品测试与分析；（3）2012.04～2012.7量子点敏化光阳极薄膜的制备及电池组装；（4）2012.08～2012.10结合前面的实验工作，优化实验方案，总结数据，撰写总结报告和论文；（5）2012.11～2012.12填写结题表、参加结题答辩。（四）研究工作已有基础条件※研究基础项目指导教师一直从事于材料的制备与分析，掌握项目所需的制备技术，并主持与此实验项目相关的项目，在染料敏化太阳能电池制备及研究方面经验丰富。指导老师项目：