在当今社会,无论是从环境还是经济角度考虑,都需要大力发展太阳电池技术。在1990年代出现的有机聚合物太阳电池,可以通过简单的溶液加工方法,制备面积大、质量小、柔性的器件,大大推动了该领域的发展。但是,可以高效利用太阳光近红外区域能量的聚合物种类较少,且设计及合成此类聚合物材料是个很复杂的过程。相对而言,基于量子点材料的光伏器件不仅可以通过溶液加工的方法进行制备,还能够对太阳光近红外区域的能量加以利用。我们在国家863计划(基于石墨烯电极的Pb Se/Cd Se量子点太阳电池,2011AA050509)的支持下,合成了一系列不同尺寸的小粒径Pb Se量子点,并对其在太阳电池中的应用进行了研究。同其他种类的量子点相比较而言,Pb Se量子点具有较高的载流子迁移率,并且是仅有的几种在光伏器件中被观察到多激子效应的材料之一。在本论文的研究初期,已报导的基于Pb Se量子点的太阳电池都需要在惰性气体氛围下进行制备,尤其是活性层的加工(厚度一般在200nm以上,需要通过层层沉积进行制备,且每一层都伴随着配体交换和清洗薄膜的过程)既耗时又浪费材料。同时,器件的填充因子较低(在40%左右),在空气中的稳定性很差(5分钟内完全失效)。因此,本论文以简化Pb Se量子点电池的制备过程,改善其填充因子,提高其在空气中的稳定性为目标,设计实验并获得了较理想的结果。从关键的创新点而言,我们通过不同的器件结构,分别获得了在Pb Se太阳电池领域里最高的短路电流(32 m A cm-2),最高的填充因子(61%),以及较好的器件空气稳定性(12天后衰减到效率最高值的60%)。具体说来,我们针对性的开展了以下各项工作:1.为了缩短冗长的器件制备过程并降低其成本,我们将所有Pb Se量子点太阳电池的活性层厚度都控制在100 nm以下;2.Pb Se量子点的稳定性同其表面的化学成分密切相关;随着量子点粒径减小,其表面硒原子所占的比例会增加,进而提升其空气稳定性。基于此,我们将小粒径的Pb Se量子点引入太阳电池的制备,延长了器件在空气氛围中的寿命;3.载流子在电池内部的传输同器件的填充因子密切相关;我们将带隙工程应用于器件结构的设计,在活性层内部引入了一个促进电子传输的驱动力,提升了器件的填充因子;4.活性层厚度变薄会导致器件对光的吸收的减弱;我们在器件结构中引入了光学空间层(其本质为透明的金属氧化物),通过调节其膜厚优化了器件内部的光场分布,从而增强了太阳电池对光的吸收;5.尺寸分布不同的Pb Se量子点,其带隙宽度也各不相同;通过对量子点太阳电池活性层带隙能量的优化,提升了器件内部的激子分离效率,从而改善了器件的性能,并获得了Pb Se太阳电池中最高的短路电流;6.太阳电池中载流子复合中心的存在会极大的损害器件的性能;通过对Pb Se电池阳极界面的修饰,改善了空穴在器件内部的传输,并获得了Pb Se太阳电池中最高的填充因子;7.在聚合物量子点杂化太阳电池中,电子给受体之间的能级关系以及各自的载流子迁移率对器件的性能影响很大。通过优化Pb Se量子点薄膜的带隙能量及载流子迁移率,大幅度提升了杂化太阳电池的性能,其效率较之前的报导有了近10倍的提升。总之,我们从器件结构设计的角度出发,简化了Pb Se量子点太阳电池的制备过程、降低了其成本、提高了其填充因子以及空气稳定性。本文可以为进一步优化量子点太阳电池的性能等相关工作提供参考。