绿色窄带隙纳米晶的可控合成及与聚合物复合太阳能电池研究

纳米晶聚合物复合太阳能电池可极大地提高光电转换效率，然而纳米材料合成和载流子传输理论的欠缺导致实际转换效率与理论值差别很大。本课题基于微反应系统开展窄带隙环境友好纳米晶的形貌可控合成和表面改性研究，建立吸收光谱与太阳光谱高重合率的纳米晶制备工艺与形貌控制解析机理。设计反向倒置纳米晶聚合物太阳能电池结构，探索复合薄膜制备技术，考察聚合物类型、纳米晶形貌与添加量、后处理工艺等对复合薄膜性能的影响，探索载流子浓度、迁移率、电阻率及能级结构与电池性能的变化规律，解析载流子迁移过程，构筑电子迁移率与复合薄膜电池性能之间的关系，为纳米晶聚合物复合太阳能电池的制备和应用提供可靠的理论基础和技术指导。

基于无机半导体材料的特性及理论研究表明，纳米晶的太阳能电池可使转换效率提高到60%，突破了目前光伏转换效率的上限，显示出巨大的发展潜力。然而纳米材料合成和载流子传输理论的欠缺导致实际转换效率与理论值差别很大。基于微反应系统开展窄带隙环境友好纳米晶的形貌可控合成和表面改性研究，开发了油酸单配体和十四烷基膦酸-三辛基氧化膦双配体的反应体系，通过考察不同参数，分别获得了链状、米粒状、三足状以及立方状的PbSe纳米晶。开发了油酸-油胺双配体反应体系，以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，成功制备了纯相FeS2黄铁矿，通过优化溶剂、添加剂，获得了更小尺寸的类球形FeS2纳米晶（30 nm）。基于微流反应系统的快速传质传热性能，实现了高质量球形CdSe纳米晶的快速合成。制备了反向倒置结构的P3HT/PCBM/CdSe的三体系的纳米晶聚合物太阳能电池，通过优化制备工艺，所得CdSe纳米晶聚合物太阳能电池的光电转换效率最高达到3.05%。将电池置于大气环境中21天后，电池的光电转换效率减小了30%。基于制备的高结晶性PbSe纳米晶，制备了P3HT/PbSe和P3HT/PbSe/PCBM两种体系的反向倒置结构的太阳能电池。通过对太阳能电池制备过程的优化，实现了基于P3HT/PbSe的太阳能电池，最高光电转换效率为0.19%。而基于三项体系的P3HT/PbSe/PCBM的太阳能电池，其光电转换效率为2.09%。基于阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管量子点敏化太阳能电池，通过考察不同的阳极氧化时间所制备的敏化太阳能电池性能参数，发现当阳极氧化时间为6h时，短路电流密度可达到5.79 mA/cm2，转换效率为1.61%。基于绿色窄带隙FeS2纳米晶材料，通过优化制备工艺获得了光电转换效率达3.0%，该电池在保存15周仍保留原来效率的83.3%；20-80℃温度范围内均能稳定工作；在500-2000 W/m2光强范围内，比量子点敏化电池的稳定性有明显提升。基于氧化石墨烯GO、二硫化铁纳米晶FeS2 、硫化铅PbS为夹层材料，制备FTO/TiO2/活性层/PEDOT:PSS/掺杂层/PEDOT:PSS/Ag反向倒置结构太阳能电池，发现添加夹层后的太阳能电池性能优于未添加的。进一步考察不同浓度下FeS2纳米晶夹层太阳能电池，当浓度为0.25mg/ml时性能最佳，其光电转换效率为3.83%。