【优秀硕士博士论文】窄带隙半导体敏化剂的界面修饰及其光伏特性的研究

目前工作,研究课题：窄带隙半导体敏化剂的界面修饰及其光伏特性的研究,研究方向：针对量子点敏化太阳能电池中，量子点缺陷密度高和电解质对量子点的腐蚀问题，系统研究无机配体修饰对电池器件性能的改进；针对钙钛矿材料易受腐蚀的特点，研究氧化铝后修饰对钙钛矿型电池稳定性的改善及其作用机理。,国家自然科学基金模拟申请,具有表面等离子共振特性的金属纳米材料的合成及其在QDSCs中的应用,立项依据与研究内容,立项依据研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题研究方案、研究方法以及技术路线特色与创新之处,研究基础,经费申请说明,背景介绍,表面等离子共振特性,当金纳米颗粒接收到特定波长的电磁辐射时，其表面的自由电子就会从相对正电性的晶格随入射光的频率发生集体振荡，把这种现象称为局域表面等离子体共振。,Chem. Soc. Rev.,2011, 40, 44-56.,背景介绍,电磁波对金属的作用限度是有限的（对金、银为50nm），因此只有金属表面的电子会发生共振，对光的吸收频率和宽度与金属颗粒的尺寸和形状有关。规律：尺寸增大，吸收红移。,纳米银颗粒的SPR波长与形状、尺寸的关系,Nano. Lett., 2007, 7, 1032.,表面等离子共振在敏化电池中的应用,作用机理：利用SPR，提升金属粒子附近的共振电场，局域电场与入射光相比，能够更有效的激发染料。利用金属纳米粒子的表面等离子共振特性，可以拓展电池的光响应范围，但主要应用在染料敏化电池中，而在量子点敏化电池中的应用尚属空白。,1 J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7632-7637.2 Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 043306.,表面等离子共振在敏化电池中的应用,1. 金属粒子与敏化剂的距离不能过远-局域电场作用。2. 金属粒子与敏化剂不能直接接触，否则金属粒子会形成电子复合中心，降低电子注入效率。,Nanoscale, 2011, 3, 2865,核壳结构的应用,触发了核壳结构颗粒在染料敏化太阳能电池中的应用。金属绝缘层核壳结构15 nm Au cores encapsulated by 3 nm silica shells,Nano. Lett. 2011, 11, 438445,SPR在量子点敏化电池中的应用,Zhang等人采用Au颗粒，短路电流得到提升，说明其增强了电池的光响应；但开路电压降低，但由于裸露金属颗粒作为电子复合中心，导致二氧化钛导带中的电子发生反向复合，降低了开路电压。,启发：采用核壳结构Au宽带隙半导体掺入光阳极？,SPR多应用于染料敏化电池，工作机制明确，但在量子点敏化电池中的应用很少，金属颗粒与量子点之间的能量转移作用需要深入研究。,J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 2320923220,核壳结构纳米颗粒-金属宽禁带半导体(金属硫化物),(3),L-cysteine-Cd2+ complexes+Au nanoparticle,Hydrothermal,(2),(1),1 Chem. Mater. 2008, 20, 720472062 J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 393 Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2881 2885,研究思路,合成具有单一壳层结构的金属金属硫化物核壳结构纳米颗粒；将该类纳米颗粒组装入量子点敏化太阳能电池，拓展电池光响应范围，提升电池性能,目前SPR在量子点敏化太阳能电池中的应用尚属空白；核壳结构纳米颗粒在敏化电池中的应用，仅有金属绝缘体一种类型，其他类型核壳结构纳米颗粒对于电池性能可能具有更优异的效果。,研究内容,合成具有表面等离子共振特性的金属金属硫化物核壳结构纳米颗粒,将现有反应体系拓展，合成其他金属硫化物包被的金属颗粒,具有表面等离子共振特性的核壳结构纳米颗粒在量子点敏化太阳能电池中的应用,实现纳米颗粒在量子点敏化太阳能电池中的功能化，制备复合光阳极,制备CdS包覆的Au、Ag纳米颗粒,根据已有合成方法，制备不同粒径及不同壳层厚度金属金属硫化物纳米颗粒,研究目标,研究目标,制备具有单一壳层结构的金属(Au、Ag)金属硫化物纳米颗粒。,测试其表面等离子共振性质，并与非单一壳层结构纳米颗粒性质进行比较，研究壳层组分对光学性质的影响机理。,将合成的纳米颗粒用于组装复合光阳极，制备量子点敏化太阳能电池，实现其功能化。,拟解决的关键科学问题,寻找合成单一壳层结构的金属金属硫化物核壳结构纳米颗粒的普适方法，研究单一壳层与多元壳层结构对金属的表面等离子共振性质的影响及作用机制,将金属金属硫化物核壳结构纳米颗粒组装如量子点敏化太阳能电池，拓展光响应范围，解决量子点敏化太阳能电池效率较低的问题。,研究方案,1. AuCdS和AgCdS的合成,L-cysteine-Cd2+ complexes+Au nanoparticle or Ag nanoparticles,2. AuZnS、AgZnS等其他金属硫化物作为壳层的合成,采用半胱氨酸或其他配体作为硫源，先与特定金属离子形成配合物；再与金属纳米颗粒混合，取代原有配体，进行水热反应,半胱氨酸(L-cysteine),3. 量子点敏化太阳能电池中复合光阳极的制备,Hydrothermal,+,本项目的特色与创新之处,目前报道的金属金属硫化物核壳结构纳米颗粒的壳层多存在两种组分，本项目通过配体取代反应，制备具有单一壳层结构的金属金属硫化物纳米颗粒。,制备出的纳米颗粒可以用于制备量子点敏化太阳能电池的复合光阳极，拓展电池光响应范围，填补表面等离子共振在量子点敏化太阳能电池中的研究空白。,年度研究计划,第一年度：开展金属金属硫化物核壳结构纳米颗粒的合成，主要包括制备文献报道方法制备AuCdS及合成体系的拓展，即合成AgCdS、AuZnS、AgZnS等。,第二年度：将合成的纳米颗粒应用于量子点敏化太阳能电池，通过优化纳米颗粒在光阳极中的比例及光阳极厚度，研究其对电池光伏特性的影响,第三年度：开展表面等离子共振在量子点敏化太阳能电池中作用的机理研究。研究不同组分壳层对SPR性质的影响，金属颗粒与量子点之间的能量转移作用等。,研究基础,项目申请人在量子点敏化太阳能电池领域的研究工作主要集中在量子点的界面修饰对电池前后界面电子转移的研究，包括无机卤素配体对量子点表面缺陷的抑制及对界面电子转移过程的改善。对于量子点敏化太阳能电池的光阳极制备、器件组装、测试表征等具有良好的基础。,1 J. Mater. Chem., 2012, 22, 1691