准固态高效量子点敏化太阳电池

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发展低成本太阳电池技术是解决能源、环境等社会问题的重要途径之一。量子点敏化太阳电池(QDSC)作为一类制备简单、成本低廉的光伏器件,被认为是最有潜力的第三代太阳电池之一。然而,目前其较低的光电转换效率与较差的稳定性,严重地限制着QDSC的实际应用。而造成低效率瓶颈的一个重要因素可归结为目前敏化剂材料对太阳光捕获利用效率不高。而低稳定性的原因则是源于目前普遍采用的聚硫(Sn2-/S2-)氧化还原电对电解液的液态属性导致易挥发、泄漏而影响电池的长期稳定性。因此,开发具有强吸光能力的量子点敏化剂以及提高电池的稳定性对于实现QDSC产业化应用具有深远意义。本文主要围绕“开发凝胶电解质构建准固态电池以及设计共敏化结构光阳极”展开。  采用超吸水性的聚合物电解质,聚丙烯酸钠(PAAS),对常规的聚硫水溶液进行固化制备PAAS凝胶电解质从而构建准固态QDSC。PAAS三维网格状结构能贮存大量聚硫溶液同时为离子迁移提供通道,因此所制备的PAAS凝胶电解质与聚硫水溶液电解质具有相当的电导率。同时由于PAAS聚合物分子链上的羧基官能团与金属离子具有较强的配位能力,使得PAAS凝胶电解质更容易渗入到TiO2介孔膜中包覆在TiO2和量子点表面构成高能垒层抑制界面电荷复合。受益于PAAS凝胶电解质的高导电性及其包覆TiO2和量子点表面形成高能垒层对界面电荷复合的抑制作用,基于CdSeTe敏化剂所构建的准固态QDSC获得了高达8.54%的光电转换效率。同时,与常规的液结QDSC相比,所构建的准固QDSC在工作状态下的稳定性得到显著提升。  在上述基础之上,我们又选取了一种在碱性环境下更加稳定的聚合物电解质,羧甲基纤维素钠(CMC-Na),作为凝胶剂制备凝胶电解质。因为常规的聚硫水溶液电解质是一种很强的碱性环境,所以基于CMC-Na所制备的凝胶电解质表现出更好的光热稳定性。与PAAS相仿,CMC-Na拥有超强的吸水和锁水能力以及良好的导电性。基于CdSeTe光敏剂所构建的准固态QDSC获得了9.21%的光电转换效率,是目前所报道的准固态QDSC的最高值,而且电池器件的稳定性又得到了进一步提升。  此外,为了克服当前量子点对太阳光捕获能力不强的缺点,我们将两种量子点Zn-Cu-In-Se(具有宽带吸光范围~1000 nm)和CdSe(在400-600 nm范围内具有很高的吸光强度)进行优势互补。通过预先合成高质量的Zn-Cu-In-Se QD和不同粒径的CdSeQD,随后将两种量子点顺序沉积在TiO2介孔膜上制备共敏化光阳极。这一设计不仅将两者宽吸收范围与高吸光强度完美结合,而且共敏化后TiO2、Zn-Cu-In-Se和CdSe发生了能级重排,呈现出阶梯状的能级排布,为光生电子快速注入到TiO2导带上提供了驱动力。以Cu2S作为对电极,S2-/Sn2-水溶液电解质作为氧化还原电对,所构建的Zn-Cu-In-Se/CdSe共敏化QDSC的短路电流密度与Zn-Cu-In-Se或CdSe QDSC相比有了显著的提升,同时获得了高达10.22%的光电转换效率,突破了单一类型QDSC的效率瓶颈。
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