量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池：制備及光電轉(zhuǎn)換性能的改進(jìn)

【摘要】：太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用對(duì)解決能源危機(jī)和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)都具有極其重要的意義。其中,新一代太陽(yáng)能電池——量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池由于具備高理論轉(zhuǎn)換效率和低生產(chǎn)成本,引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。但迄今為止,量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍然遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池。 本文從材料角度出發(fā),考慮材料本身缺陷、能級(jí)匹配及制備工藝對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響,設(shè)計(jì)了硫化鎘(CdS)和氧化鋅(ZnO)納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為光電轉(zhuǎn)換材料,采用化學(xué)浴沉積和水熱法合成技術(shù),可控合成了硫化鎘量子點(diǎn)及氧化鋅納米線陣列,并確定了最優(yōu)工藝參數(shù)。 通過(guò)研究退火處理對(duì)CdS/ZnO量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的影響,我們發(fā)現(xiàn)退火溫度和CdS量子點(diǎn)的層數(shù)對(duì)最終太陽(yáng)能電池的性能有決定性的影響。經(jīng)過(guò)退火處理后的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有了顯著提升,可以歸因于材料對(duì)太陽(yáng)光吸收能力的增強(qiáng)、本身缺陷的減少以及CdS/ZnO之間擴(kuò)散層的形成。 通過(guò)化學(xué)浴沉積和退火處理的結(jié)合使用,在ZnO表面獲得了兩種不同粒徑的CdS量子點(diǎn)。兩種CdS顆粒形成I型半導(dǎo)體后產(chǎn)生的共敏化作用使得電池性能有顯著的提升。此研究證實(shí),量子點(diǎn)的合理搭配可以有效提升量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的性能。 通過(guò)水熱反應(yīng),制備了由CdS量子點(diǎn)堆積而成的三維多孔薄膜。利用此多孔薄膜作電池光陽(yáng)極材料可以形成自敏化太陽(yáng)能電池并實(shí)現(xiàn)光電有效轉(zhuǎn)換。采用電沉積技術(shù),可以在CdS多孔膜上沉積CdSe量子點(diǎn),并形成由CdSe/CdS組成的共自敏化結(jié)構(gòu),使太陽(yáng)能電池的性能得到進(jìn)一步提升。 【關(guān)鍵詞】：量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池 硫化鎘 氧化鋅 硒化鎘 退火處理
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 緒論9-36
• 1.1 引言9-10
• 1.2 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)10-16
• 1.2.1 硅基太陽(yáng)能電池10-13
• 1.2.1.1 單晶硅太陽(yáng)能電池11-12
• 1.2.1.2 多晶硅太陽(yáng)能電池12
• 1.2.1.3 非晶硅太陽(yáng)能電池12-13
• 1.2.2 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池13-14
• 1.2.3 聚合物太陽(yáng)能電池14
• 1.2.4 光敏化太陽(yáng)能電池14-16
• 1.3 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的研究背景16-30
• 1.3.1 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)16-20
• 1.3.1.1 量子限制效應(yīng)16-18
• 1.3.1.2 碰撞離化效應(yīng)與俄歇復(fù)合效應(yīng)18-19
• 1.3.1.3 小帶效應(yīng)19-20
• 1.3.2 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組成20-24
• 1.3.2.1 透明導(dǎo)電玻璃21
• 1.3.2.2 氧化物半導(dǎo)體光電極21-22
• 1.3.2.3 光敏化劑22-23
• 1.3.2.4 電解質(zhì)23-24
• 1.3.2.5 金屬/導(dǎo)電玻璃對(duì)電極24
• 1.3.3 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的工作原理24-26
• 1.3.4 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀26-27
• 1.3.5 量子點(diǎn)合成及組裝技術(shù)27-30
• 1.3.5.1 化學(xué)浴沉積法27-28
• 1.3.5.2 自組裝單分子膜28-29
• 1.3.5.3 自組裝單分子膜與化學(xué)浴沉積共聯(lián)結(jié)組裝法29-30
• 1.4 提高太陽(yáng)能電池效率的方法30-34
• 1.4.1 優(yōu)化光陽(yáng)極納米結(jié)構(gòu)30-31
• 1.4.2 選擇適當(dāng)能帶結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)與氧化物半導(dǎo)體的匹配31-32
• 1.4.3 改善量子點(diǎn)與氧化物半導(dǎo)體界面的特性32-33
• 1.4.4 共敏化33-34
• 1.5 課題的提出及創(chuàng)新點(diǎn)34-36
• 1.5.1 課題的提出34
• 1.5.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)34-36
• 第二章 實(shí)驗(yàn)原料、設(shè)備及性能表征手段36-47
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料36-37
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備37-39
• 2.3 表征手段39-47
• 2.3.1 太陽(yáng)能電池性能測(cè)試39-45
• 2.3.1.1 測(cè)試條件39-40
• 2.3.1.2 太陽(yáng)能電池參數(shù)40-42
• 2.3.1.3 太陽(yáng)能電池的封裝42-44
• 2.3.1.4 太陽(yáng)能電池I-V 曲線的測(cè)定44-45
• 2.3.2 結(jié)晶相分析45
• 2.3.3 表面形貌分析45
• 2.3.4 元素分析45-46
• 2.3.5 微觀結(jié)構(gòu)分析46
• 2.3.6 紫外-可見(jiàn)吸收分析46-47
• 第三章 CdS 量子點(diǎn)敏化ZnO 納米線的光陽(yáng)極系統(tǒng)的構(gòu)建47-58
• 3.1 前言47-48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分48-50
• 3.2.1 光陽(yáng)極ZnO 納米線的制備48-49
• 3.2.2 CBD 法在ZnO 納米線上生長(zhǎng)CdS 量子點(diǎn)49-50
• 3.3 結(jié)果與討論50-57
• 3.3.1 ZnO 納米線的生長(zhǎng)50-53
• 3.3.2 CBD 制備CdS 的工藝探索53-57
• 3.3.2.1 不同反應(yīng)物濃度對(duì)比53-54
• 3.3.2.2 不同沉積次數(shù)對(duì)比54-56
• 3.3.2.3 不同沉積時(shí)間對(duì)比56-57
• 3.4 本章小結(jié)57-58
• 第四章 退火處理對(duì)CdS/ZnO 太陽(yáng)能電池效率的影響58-74
• 4.1 前言58-59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分59-60
• 4.2.1 ZnO 納米線的制備及CdS 量子點(diǎn)的沉積59
• 4.2.1.1 ZnO 納米線的制備59
• 4.2.1.2 CBD 法在ZnO 納米線上生長(zhǎng)CdS 量子點(diǎn)59
• 4.2.2 樣品的退火處理59-60
• 4.2.2.1 不同退火溫度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)59-60
• 4.2.2.2 共敏化CdS/ZnO 太陽(yáng)能電池的制備60
• 4.3 結(jié)果與討論60-73
• 4.3.1 退火處理對(duì)CdS/ZnO 太陽(yáng)能電池的影響60-67
• 4.3.1.1 CdS/ZnO 微觀結(jié)構(gòu)及形貌表征60-62
• 4.3.1.2 退火處理對(duì)太陽(yáng)能電池效率的影響62-64
• 4.3.1.3 退火處理提升電池性能的機(jī)理分析64-67
• 4.3.2 退火處理制備雙尺寸CdS 共敏化太陽(yáng)能電池67-73
• 4.3.2.1 樣品的微觀結(jié)構(gòu)及吸收表征67-69
• 4.3.2.2 太陽(yáng)能電池效率測(cè)試69-70
• 4.3.2.3 吸收歸一化計(jì)算太陽(yáng)能電池的輸出功率70-72
• 4.3.2.4 不同尺寸的CdS 在電池中起到的作用72-73
• 4.4 本章小結(jié)73-74
• 第五章 多孔自敏化太陽(yáng)能電池構(gòu)建及光電轉(zhuǎn)換效率研究74-85
• 5.1 前言74-76
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分76-77
• 5.2.1 多孔CdS 薄膜的制備76
• 5.2.2 電沉積制備CdSe 納米顆粒76-77
• 5.3 結(jié)果與討論77-84
• 5.3.1 多孔CdS 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及形貌表征77-79
• 5.3.2 CdS 形貌對(duì)于CdSe/CdS 電池性能的影響79-80
• 5.3.3 CdSe/CdS 的退火處理80-81
• 5.3.4 電池性能提升的機(jī)理分析81-84
• 5.3.4.1 CdSe/CdS 異質(zhì)結(jié)對(duì)于電池性能提升的影響81-82
• 5.3.4.2 高溫退火對(duì)于電池性能的提升82-84
• 5.4 本章小結(jié)84-85
• 第六章 總結(jié)和研究展望85-88
• 6.1 結(jié)論85-86
• 6.2 研究展望86-88
• 參考文獻(xiàn)88-98
• 發(fā)表論文和參加科研情況說(shuō)明98-99
• 致謝99

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