题目：量子点敏化太阳能电池光阳极结构研究

太阳能电池是利用太阳能的重要手段之一。成熟的硅基太阳能电池存在的成本过高等问题限制了其日常应用，光敏化太阳能电池有望解决硅基太阳能电池存在的问题，但染料敏化太阳能电池(DSSCs)使用的染料敏化剂限制了其光电转换效率的进一步提高。为此，由窄带半导体量子点作为敏化剂的量子点敏化太阳能电池(QDSCs)得到了发展，与染料相比，量子点具有的量子尺寸效应、碰撞离化效应等性质有望获得更高的光电转换效率。然而，目前QDSCs的光电转换性能仍然很低，光阳极作为QDSCs核心部分的研究明显不足是重要原因。为此，本文通过对QDSCs光阳极结构进行设计和制备研究，以期获得更优光电转换性能的QDSCs，得到的主要研究成果有：

(1) 为探索制备高性能的ZnO光阳极，研究了CdS量子点沉积方法对ZnO多孔薄膜光阳极光电化学性能的影响。由于化学水浴(CBD)法是在碱性溶液和较高温条件下进行，会导致ZnO多孔薄膜在沉积过程中发生溶解，限制了ZnO/CdS光阳极性能。持续离子吸附沉积(SILAR)法在室温且温和溶液中进行，沉积过程中ZnO多孔薄膜能够稳定存在，与CBD法制备的ZnO/CdS光阳极相比，其制备的ZnO/CdS光阳极获得了更高的性能。因此，SILAR法更适合于制备高性能的ZnO光阳极。

为扩宽和加强光阳极的光吸收性能，设计并制备了不同尺寸量子点分层共敏化光阳极，与单一尺寸量子点敏化光阳极相比，不同尺寸CdS量子点分层共敏化TiO2多孔薄膜(TiO2/L-CdS/S-CdS)光阳极对可见光的吸收得到了扩宽和增强，也获得了更高的光电转换效率。

(2) 发展了一种低温条件下制备ZnO多孔薄膜的方法，即电化学吸附沉积(OE)法。通过在Zn(NO3)2电解液引入原先制备好的ZnO纳米粒子，使其在电沉积过程进行吸附沉积，获得了具有可观厚度和高度多孔的ZnO多孔薄膜(OE-ZnO)，该多孔薄膜在光阳极应用中获得了比刮涂法制备的ZnO多孔薄膜更好的光电化学性能，低温过程将更有利于高性能柔性光阳极的制备。

而通过合理调整OE法的工艺参数制备出了由紧密排列的纳米棒团束构成的3D ZnO纳米棒结构，基于3D ZnO纳米棒的光阳极获得的光电转换性能远高于基于ZnO纳米棒阵列的光阳极。

(3) 为了增加光吸收性能，并加速电子传输和增加电子寿命，设计并制备了ZnO和TiO2多孔纳米片光阳极。首先，利用间接电沉积法制备了具有单层(S-ZnO)和多层(M-ZnO)结构的ZnO多孔纳米片，由于多层纳米片结构具有更好的光散射和吸收特性，M-ZnO/CdS光阳极获得了远高于S-ZnO/CdS光阳极的光电转换性能。

采用ZnO多孔纳米片作为模板，通过TiO2多晶壳辅助化学转化制备出了整体形貌保存完好的具有中空结构的TiO2多孔纳米片(HTPNS)，基于HTPNS的光阳极中的电子寿命远长于基于P25 TiO2多孔薄膜的光阳极，电子扩散长度达到约为17 μm，并获得了2.09 %的较高光电转换效率。

(4) 发展了两种非金属氧化物宽禁带半导体材料作为光阳极的宽禁带半导体。其中，电沉积法制备的Zn5(OH)8Cl2·H2O 纳米片可直接应用于光阳极的制备，且具有较高的转换效率，将其转换为ZnO/Zn5(OH)8Cl2·H2O复合多孔纳米片后转换效率进一步得到提高，远高于ZnO多孔纳米片、ZnO多孔薄膜和P25 TiO2多孔薄膜，而基于150-NS的光阳极具有更高的复合反应电阻和更长的电子寿命是重要原因。

此外，电沉积法制备的ZnOHF材料在光阳极的应该中也获得了很好的光电转换性能，ZnOHF纳米结构/CdS/CdSe光阳极获得了高于ZnO纳米棒/CdS/CdSe光阳极的光电转换性能，前者具有的较低电子复合反应和长电子寿命是产生高填充因子和转换效率的重要原因。

(5) 为了扩大QDSCs的可能应用范围，初步研究了一维柔性光阳极的设计和制备，通过水热法在碳纤维(直径约为7 μm～8 μm) 表面沉积ZnO纳米棒，利用CdS量子点进行敏化得到一维柔性光阳极，其与一维柔性对电极和液态电解质组装的一维柔性QDSCs能有效吸收可见光并将其转化为电能。

在一维柔性基材上沉积ZnO/Zn5(OH)8Cl2·H2O多孔纳米片制备一维柔性光阳极后，光阳极获得的转换效率相对于基于ZnO纳米线的光阳极有明显提高，且Na2SO4溶液和Cu2S是与该光阳极构造高性能一维QDSCs的较优电解质和对电极。