界面SAMs层修饰对CdS量子点敏化ZnO纳米棒太阳能电池性能的影响

界面SAMs层修饰对CdS量子点敏化ZnO纳米棒太阳能电池性能
的影响
量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)是兼具低成本和高理论转换效率的第三代
太阳能电池之一。

但因量子点附着率低以及界面处电子–空穴复合率高,其光电转换效率始终低于染料敏化太阳能电池。

而光阳极表面修饰是解决上述问题,提高QDSSCs光电转换效率的有效手段之一。

本论文以CdS量子点敏化ZnO纳米棒QDSSCs太阳能电池为研究对象,选用适当的有机自组装分子层(SAMs)修饰ZnO纳米棒光阳极表面,研究其对Zn O光阳极光学性能和QDSSCs光伏性能的影响,并揭示其影响机制。

取得的创新性研究结果如下:首先,利用两步CBD法制备了一次生长和二次
生长的ZnO纳米棒,并将其作为光阳极材料制作QDSSCs。

结果表明二次生长ZnO 纳米棒QDSSCs的光电转换效率比一次生长的提高了41%。

这是因为:二次生长使ZnO纳米棒的长度变长,衬底上单位面积ZnO纳米棒阵列的表面积增加,其表面上的CdS QDs的附载量相应增加,因而在同样的光照射条件下产生更多的光电子,
短路电流密度增大,致使电池光电转换效率提高。

其次,用浸泡法在ZnO纳米棒的表面沉积3-PPA SAMs层,研究3-PPA溶液浓度和浸泡时间对QDSSCs光伏性能的影响。

当浸泡浓度为0.01M,浸泡时间为1min时,电池的能量转换效率最高(1.36%)。

这是因为:3-PPA层修饰有效钝化了ZnO纳米棒表面缺陷,抑制了电子–空穴的复合过程。

而紫外光电子能谱(UPS)证实3-PPA层在ZnO和CdS间形成能级势垒,
有效阻碍电子的背向过程。

再次,用含有相同膦酸头基、不同尾基的SAMs层
(3-PPA、BPA、APPA)修饰ZnO纳米棒光阳极。

结果表明3-PPA可以有效提高电池效率至1.41%,而BPA和APPA修饰则导致电池效率降低。

这是因为三种SAMs层的尾基不同,3-PPA的尾基是-COOH,BPA和APPA的尾基分别是-CH3和-NH2。

-COOH是吸电子基团,减小了ZnO的表面功函数,在ZnO和CdS之间形成一个能级势垒,有效地阻碍了电子的背向过程,而-CH3和
-NH2是给电子基团,增大了ZnO的表面功函数,不利于光电子的传输。

最后,用三种不同的苯甲酸的衍生物,即具有相同的羧酸头基和不同尾基的MBA、BBA和FBA 作为SAMs来修饰ZnO纳米棒表面。

MBA/ZnO和BBA/ZnO的界面偶极矩都是朝着ZnO表面的,因此MBA/ZnO和BBA/ZnO的功函数减小,即在CdS和ZnO之间形成了一个能级势垒,有效地阻碍电子的背向过程,使得电池效率提高。

而FBA/ZnO的界面偶极矩都是背向ZnO表面的,因此FBA/ZnO的功函数增大,使ZnO和CdS间带阶增大,不利于光生电子的传输,导致电池效率降低。