IV-VI族化合物量子點太陽能電池的制備及其性能研究

【摘要】：近年來,能源需求的激增和空氣污染的加劇迫使人們尋求新的清潔可再生能源。取之不盡用之不竭的太陽能由于其清潔性和可再生性而被認為是最佳的替代能源之一,而光伏電池可能是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的最直接方式。雖然目前的硅太陽能電池具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率,但光伏電能的價格尚不能與傳統(tǒng)電能相競爭?；谀z體量子點的太陽能電池因具有可溶液工藝制備和潛在的多激子產(chǎn)生效應等特點有望能在降低制備成本的同時提高電池的能量轉(zhuǎn)化效率,從而引起了人們的廣泛關(guān)注。然而目前所報道的量子點電池的性能還很差,遠未達到實際利用的最低要求,其中的原因之一就是多數(shù)量子點電池尚未充分利用太陽光譜中的紅外光。此外,雖然對膠體量子點在溶液介質(zhì)中所具有的多激子產(chǎn)生效應已多有報道,但該效應能否真正應用到實際量子點太陽能電池中并提高其能量轉(zhuǎn)化效率仍是一個開放性的課題?；诖?本文以提高量子點太陽能電池的性能和探索電池中的多激子產(chǎn)生效應為目的,從Ⅳ-Ⅵ族化合物量子點的合成入手,進而利用溶液工藝制備了紅外膠體量子點太陽能電池并研究了其性能。本論文的主要研究內(nèi)容如下： 通過改變前驅(qū)物比例和反應條件,利用熱注入方法制備了形貌分別為紡錘形、近團簇形和八面體形等的PbSe量子點,并測試了其光學性能和結(jié)構(gòu)。在實驗觀察和分析的基礎上提出了其可能的形貌演化過程。另外,還合成出了不同粒徑的近球形PbS量子點,所制備的PbS量子點粒徑分布較窄,發(fā)光性能優(yōu)良,從而為制備紅外量子點電池奠定了基礎。 利用溶液工藝制備了Ti02/PbS量子點電池,并通過研究電極、窗口層、量子點粒徑、配體和有源層厚度等不同因素對電池性能的影響,優(yōu)化得到了該類電池的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用優(yōu)化工藝制得的PbS量子點電池能量轉(zhuǎn)化效率達到3.13%,其中短路電流密度、開路電壓和填充因子分別為20.7 mA/cm2、0.456 V和33.2%,峰值外部量子效率和紅外光區(qū)的外部量子效率分別達到約80%和30%,這是報道的首個具有超過80%峰值外部量子效率的PbS量子點電池。 為了解量子點電池的穩(wěn)定性,研究了空氣和氮氣暴露對TiO2/PbS電池性能的影響。結(jié)果表明電池在短時間(小于1小時)的空氣暴露中盡管短路電流密度降低但由于開路電壓和填充因子的增大可以提高電池的能量轉(zhuǎn)化效率。5分鐘空氣暴露使PbS(1.1 eV)量子點電池的能量轉(zhuǎn)化效率從3%提高到4%,具體性能參數(shù)分別為：Jsc=18.6mA/cm2,Voc=0.517 V,FF=41.8%；對于PbS(1.7 eV)量子點電池來說,開路電壓可達到0.655 V。而長時間(24小時)的空氣暴露由于電池電導率的大幅下降致使電池性能降低,但退化的電池性能可以通過1,2-乙二硫醇浸泡處理得到基本恢復。電池的這種空氣暴露效應是空氣中的氧對電池中PbS量子點薄膜的影響造成的。另外,氮氣氣氛下的老化處理可以提高量子點電池的短路電流、開路電壓和填充因子,從而提高電池性能。該研究結(jié)果強調(diào)了環(huán)境條件對于量子點電池性能的重要影響以及量子點電池研究過程中考慮環(huán)境條件的重要性和必要性。 研究了不同條件下的熱處理對TiO2/PbS量子點電池性能的影響。結(jié)果表明空氣中退火雖然可提高電池的開路電壓但由于短路電流密度的大幅降低不利于Ti02/PbS量子點電池性能的提高。而在氮氣氣氛中于90-100℃及以下溫度退火可以提高電池的短路電流和峰值外部量子效率,更高溫度的退火則使電池性能下降。通過在氮氣氣氛中于90℃下退火6分鐘,得到了峰值外部量子效率約為95%的PbS量子點電池,這也是目前所知的具有最高峰值外部量子效率的PbS量子點太陽能電池。 利用三元PbSxSe1-x合金量子點和透明的Ti02薄膜制備出了同時具有高短路電流密度和高開路電壓的異質(zhì)結(jié)太陽能電池。最優(yōu)電池的短路電流密度、開路電壓、填充因子和能量轉(zhuǎn)化效率分別達到25.6 mW/cm2、0.451V、36.8%和4.25%,其能量轉(zhuǎn)化效率比之前報道的基于三元PbSxSe1-x量子點的肖特基結(jié)電池提高了約30%,也高于本工作中利用二元PbS量子點所制備的異質(zhì)結(jié)電池,從而顯示出了合金量子點異質(zhì)結(jié)電池在提高量子點光伏器件性能方面的巨大潛力。此外,在該三元PbSxSe1-x量子點異質(zhì)結(jié)電池中還觀測到了超過100%的外部量子效率,并利用不同強度和波長的單頻光以及不同來源的標準Si光電二極管對此進行了確認,從而為三元PbSxSe1-x量子點及其電池中存在多激子產(chǎn)生效應提供了證據(jù)。 在實驗研究基礎上對所制備的PbS量子點電池的性能限制因素進行了分析。結(jié)果表明所制備的TiO2/PbS量子點電池性能受限于載流子遷移率和壽命的乘積(μτ)而且電池中存在缺陷復合。該分析結(jié)果為如何進一步提高量子點電池的性能指明了方向。 【關(guān)鍵詞】：太陽能電池 量子點 制備 性能 鉛硫族化合物 二氧化鈦 光伏器件
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-35
• 1.1 引言10
• 1.2 太陽能電池的發(fā)展歷史10-14
• 1.3 太陽能電池的基本理論和參數(shù)14-20
• 1.4 膠體量子點概述20-27
• 1.5 紅外膠體量子點太陽能電池的研究進展27-33
• 1.6 本論文的選題思路和結(jié)構(gòu)33-35
• 2 Ⅳ-Ⅵ族化合物量子點的合成與表征35-48
• 2.1 引言35-36
• 2.2 PbSe量子點的合成與表征方法36-38
• 2.3 PbSe量子點的形貌控制與演化機理38-45
• 2.4 PbS量子點的合成與表征45-47
• 2.5 本章小結(jié)47-48
• 3 TiO_2/PbS量子點太陽能電池的制備與性能優(yōu)化48-72
• 3.1 引言48
• 3.2 量子點太陽能電池的制備48-50
• 3.3 量子點薄膜及電池的性能表征方法50-52
• 3.4 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對電池性能的影響52-67
• 3.5 電池性能的限制因素67-70
• 3.6 本章小結(jié)70-72
• 4 TiO_2/PbS量子點電池的穩(wěn)定性研究72-90
• 4.1 引言72
• 4.2 空氣暴露對量子點電池性能的影響72-81
• 4.3 氮氣氣氛對量子點電池性能的影響81-84
• 4.4 熱處理對量子點電池性能的影響84-89
• 4.5 本章小結(jié)89-90
• 5 TiO_2/PbS_xSe_(1-x)合金量子點太陽能電池90-106
• 5.1 引言90-92
• 5.2 PbS_xSe_(1-x)材料與電池92-93
• 5.3 結(jié)果與討論93-104
• 5.4 本章小結(jié)104-106
• 6 研究總結(jié)與展望106-109
• 6.1 研究內(nèi)容總結(jié)106-108
• 6.2 對下一步工作的展望108-109
• 致謝109-110
• 參考文獻110-128
• 附錄1 攻讀博士學位期間取得的成果128-129
• 附錄2 Letter of Consent129

您可以在本站搜索以下學術(shù)論文文獻來了解更多相關(guān)內(nèi)容

CdSe的形貌調(diào)控及其對P3HT/CdSe太陽能電池性能的影響    吳潔

納米TiO_2的特性    李大成,周大利,劉恒,張萍,張云,龔家竹

影響TiO_2光催化活性的因素及提高其活性的措施    任成軍,李大成,鐘本和,周大利,劉恒,龔家竹

烷基化納米SiO_2/MMA乳液聚合物及其對PC的改性研究    錢翼清,趙平,王衛(wèi)華

納米材料及其在工程塑料改性中的應用    王孝軍,楊杰,龍盛如

納米CaCO_3填充環(huán)氧樹脂分散技術(shù)及力學性能研究    劉建林,肖久梅,史孝群,龔春秀,馬文江

環(huán)氧樹脂/SiO_2,納米復合材料性能的研究    惠雪梅,張煒,王曉潔

防高能輻射的樹脂/納米鉛復合材料的制備及研究    安駿,吳海霞,辛寅昌

選區(qū)激光燒結(jié)制備PS/Al_2O_3納米復合材料的研究    鄭海忠,張堅,魯世強,徐志鋒

樹脂納米鈰防輻射復合材料的制備及其性能研究    安駿;劉吉華;辛寅昌;

納米材料的現(xiàn)行測量技術(shù)    郭冬勇,趙德國

電沉積銀納米膜的光學性質(zhì)研究    樂士儒;欒野梅;安茂忠;

用高應變率大應變載荷制備納米晶銅試件    楊黎明;VPW Shim;陳鋒;龔明;

爆炸加載制備納米晶銅實驗研究    王金相;張曉立;王經(jīng)濤;趙錚;

爆炸載荷下納米晶銅晶粒度分布及影響因素研究    王金相;周楠;趙錚;王小緒;杭逸夫;

納米粒子的表面改性研究進展    李春霞;李立平;酒金婷;王柏華;

納米材料研究及其應用    李星國;

含納米ZnO抗紫外整理劑的制備及性能研究    張永文;陳英;

納米材料在絲綢文物保護上的應用    王敏;

防水透濕織物上碳氟膜的納米結(jié)構(gòu)及均勻性的初步研究    王東;路建軍;齊宏進;

納米SiO_2的制備方法及應用    高惠;楊俊玲;

幾種稀土發(fā)光材料的合成及發(fā)光性質(zhì)的研究    譚淑媛

金屬粉末高致密化成形及其數(shù)值模擬研究    王德廣

ZnO納米陣列的制備和稀土摻雜工藝及其發(fā)光性能的研究    趙世華

硫?qū)倩衔锛{米材料的可控性合成與表征    周紅洋

石墨烯和熒光碳納米顆粒的制備及其電化學特性的研究    杜海軍

聚丙烯酸酯/納米氧化錫銻復合乳液的制備、表征及其在透明隔熱涂料中的應用研究    張貴軍

天然橡膠/蒙脫土納米復合材料的阻隔性及相關(guān)性能研究    王文濤

金屬摻雜TiO_2和ZnO的第一性原理研究    于曉慧

納米流體輻射特性機理研究及其在太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)中的應用研究    趙佳飛

納米流體強化傳熱的實驗和數(shù)值模擬研究    張邵波

納米CeO_2-TiO_2復合介孔材料的制備及性能    張旭

二元稀土氟化物的控制合成及光學性能研究    李艷冰

銦錫氧化物納米微粒表面修飾研究及其懸浮液的制備    齊天驕

銻基納米材料的水熱法制備及表征    王青堯

線切割廢砂漿制備白炭黑及改性研究    田維亮

多端耦合量子點體系量子輸運特性的研究    尹永琦

稀土離子摻雜納米晶ZrO_2-Al_2O_3復合粉體的制備及發(fā)光性質(zhì)的研究    譚鑫鑫

貴金屬及其合金/碳納米管復合材料的制備與表征    甘自保

(MCM-41)-La_2O_3納米復合材料的制備、表征及光學性質(zhì)研究    趙紫軍

一維納米材料的靜電紡絲法制備、表征及性能研究    薛江

GaAs基Ⅲ-Ⅴ族多結(jié)太陽電池技術(shù)研究進展    周勛;羅木昌;趙紅;周勇;劉萬清;鄒澤亞;

硅基薄膜太陽電池窗口材料的研究進展    汪昌州;楊仕娥;盧景霄;

硅基薄膜太陽電池研究進展    竇亞楠;褚君浩;

GaAs/Ge太陽能電池用鍺單晶的研究新進展    李苗苗;蘇小平;馮德伸;王學武;左建龍;

硅基薄膜太陽電池技術(shù)的發(fā)展    耿新華;

低溫超薄高效Cu(In,Ga)Se_2太陽電池的實現(xiàn)    韓安軍;孫云;李志國;李博研;何靜靖;張毅;劉瑋;

聚合物體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的器件優(yōu)化及光伏性能研究    裴佳寧

IV-VI族化合物量子點太陽能電池的制備及其性能研究    翟光美

IV-VI族半導體薄膜生長行為及金屬/IV-VI族半導體界面性質(zhì)研究    吳海飛

IV-VI族半導體納米晶的合成、組裝及性質(zhì)研究    王英楠

IV-VI族半導體低維結(jié)構(gòu)的光學性質(zhì)研究    徐天寧

IV-VI族半導體外延生長及其特性研究    斯劍霄