金空心球等離激元調(diào)控量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電性能研究

【摘要】：量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池由于其成本較低、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)受到科研工作者極大的關(guān)注,但是實(shí)際轉(zhuǎn)換效率很低。為此,人們作出很多努力來(lái)提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率,其中一種直接有效的途徑就是加入金屬納米顆粒,利用其表面等離激元特性可以提高太陽(yáng)能電池對(duì)光的吸收,并增強(qiáng)其光電性能。然而如何有效的提高電池的效率仍是一大問(wèn)題。本文主要研究工作是制備了空心結(jié)構(gòu)的納米金球(HGNs)并應(yīng)用到太陽(yáng)能電池中,探討HGNs等離激元的尺寸效應(yīng)對(duì)電池光電性能的影響,同時(shí)優(yōu)化光陽(yáng)極和陰極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),以獲得最佳光電性能的太陽(yáng)能電池。主要工作內(nèi)容如下:1.采用犧牲模板法制備了HGNs,以水熱法制備了疏密適度的TiO2納米棒(NR),將HGNs電泳沉積到棒表面,最后利用連續(xù)離子層吸附法沉積了CdS光敏化層,制備了FTO/TiO2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極。在表面等離激元作用下,HGN能有效增加光陽(yáng)極對(duì)太陽(yáng)光的吸收,同時(shí)增強(qiáng)了鄰近的CdS光敏材料的耦合光的能力,促進(jìn)生成更多的光生載流子,從而提高光陽(yáng)極的光電性能。研究了不同HGN濃度和CdS量對(duì)光陽(yáng)極光電性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)沉積HGN時(shí)間為7 min時(shí),FTO/TiO2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極的光電流密度、開(kāi)路電壓和入射光子-電子轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳?？刂艭dS沉積次數(shù)為4次時(shí),能夠得到最佳厚度的光敏化層,在不阻礙電解液流動(dòng)的同時(shí)有效吸收光子產(chǎn)生更多的載流子。2.采用犧牲模板法制備了20-60 nm尺寸的金空心球,并摻入量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中,研究其表面等離激元對(duì)電池光電性能的影響。結(jié)合水熱法、電泳沉積法、化學(xué)水浴沉積法和連續(xù)離子層吸附法制備了FTO/TiO2NR/HGN/CdSe/ZnS復(fù)合光陽(yáng)極,并通過(guò)化學(xué)沉積法制備了FTO/CuS電極,作為電池的陰極。研究結(jié)果表明,與相同尺寸和相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)心金球相比,HGN的吸收峰發(fā)生明顯的紅移,在可見(jiàn)光有更寬的響應(yīng)范圍和更好的陷光能力,使能量轉(zhuǎn)換效率提高了20%。當(dāng)HGN的外徑為33 nm時(shí),其表面等離子體共振峰與光陽(yáng)極材料的吸收峰位匹配度最好,使得電池的光電性能最佳。光陽(yáng)極中沉積了一層ZnS鈍化層后能有效保護(hù)光敏材料CdSe,避免其光腐蝕。進(jìn)一步研究了HGN濃度和CdSe量對(duì)電池性能的影響,當(dāng)HGN濃度為1.33 wt%時(shí),電池的能量轉(zhuǎn)換效率最高,達(dá)到3.08%。過(guò)量的HGN會(huì)增加光陽(yáng)極材料中的復(fù)合中心,減少有效載流子的濃度。當(dāng)CdSe水浴沉積時(shí)間為15 min時(shí),得到的光敏層的厚度最佳,電池的光電性能最佳。優(yōu)化了FTO/CuS電極制備工藝,當(dāng)pH=2.69時(shí),電極的電學(xué)活性最好。與Pt電極進(jìn)行比較,FTO/CuS電極更適于作為量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的陰極。3.采用晶種生長(zhǎng)法和二次水熱法制備了分枝狀的TiO2NR(TiO2BNR),然后結(jié)合電泳沉積法、化學(xué)水浴沉積法和連續(xù)離子層吸附方法制備FTO/TiO2BNR/HGN/CdSe/ZnS光陽(yáng)極,并將FTO/CuS電極作為電池的陰極使用。研究結(jié)果表明,分枝狀Ti O2NR和HGN表面等離激元能夠共同增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的光電性能?？刂粕L(zhǎng)晶種的時(shí)間為1h,TiO2NR表面有“針”狀晶種生成,截面排列為鋸齒狀。然后通過(guò)連續(xù)的水熱法,在TiO2NR表面全方位的生長(zhǎng)出納米分枝,分枝長(zhǎng)度范圍在30-160 nm。當(dāng)分枝長(zhǎng)度為30 nm時(shí),與HGN的散射作用相結(jié)合,使得太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到3.26%。 【關(guān)鍵詞】：量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池 金空心球 光電性能 表面等離激元
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-24
• 1.1 研究背景11
• 1.2 光伏發(fā)電的發(fā)展歷程11-12
• 1.3 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)、工作原理和工藝優(yōu)化12-15
• 1.3.1 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理12
• 1.3.2 基于TiO_2電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12-13
• 1.3.3 量子點(diǎn)光敏材料的選擇13-14
• 1.3.4 電解質(zhì)材料的選擇14
• 1.3.5 陰極材料的設(shè)計(jì)14-15
• 1.3.6 提高量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池光電性能的方法15
• 1.4 表面等離激元在太陽(yáng)能電池應(yīng)用研究15-19
• 1.4.1 表面等離激元簡(jiǎn)介15-17
• 1.4.2 表面等離激元在太陽(yáng)能電池的發(fā)展介紹17-19
• 1.5 本課題研究的意義及內(nèi)容19-20
• 參考文獻(xiàn)20-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)原料、制備方法及表征手段24-33
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料及相關(guān)設(shè)備24-25
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料24-25
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備25
• 2.2 制備方法25-29
• 2.2.1 TiO_2納米棒(NR)及分枝狀TiO_2納米棒(BNR)的制備25-26
• 2.2.2 金實(shí)心球及金空心球的制備26-27
• 2.2.3 電泳沉積金溶膠粒子27
• 2.2.4 CdS光敏層的制備27-28
• 2.2.5 CdSe光敏層的制備28
• 2.2.6 ZnS鈍化層的制備28-29
• 2.2.7 CuS陰極的制備29
• 2.2.8 電池組件封裝29
• 2.3 表征儀器及參數(shù)設(shè)置29-33
• 2.3.1 結(jié)晶相結(jié)構(gòu)分析29-30
• 2.3.2 表面形貌及成分分析30
• 2.3.3 微觀形貌分析30
• 2.3.4 元素組成分析30
• 2.3.5 熒光發(fā)射光譜測(cè)試30-31
• 2.3.6 紫外-可見(jiàn)吸收測(cè)試31
• 2.3.7 光電性能測(cè)試31-33
• 第三章 金空心球調(diào)控CdS量子點(diǎn)敏化TiO_2光陽(yáng)極的光電性能研究33-46
• 3.1 前言33-34
• 3.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極的制備及形貌、結(jié)構(gòu)表征34-38
• 3.2.1 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極的制備34
• 3.2.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極微觀形貌及結(jié)構(gòu)表征34-38
• 3.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極的光學(xué)特性38-39
• 3.4 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極的光電性能表征39-41
• 3.4.1 HGN量變對(duì)光陽(yáng)極光電性能的影響39-40
• 3.4.2 CdS量變對(duì)光陽(yáng)極光電性能的影響40-41
• 3.5 本章小節(jié)41-43
• 參考文獻(xiàn)43-46
• 第四章 金空心球調(diào)控TiO_2NR/Cd Se/ZnS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電性能研究46-68
• 4.1 前言46-47
• 4.2 不同尺寸的金空心球及實(shí)心球的光學(xué)性質(zhì)表征47-49
• 4.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS復(fù)合光陽(yáng)極的形貌和結(jié)構(gòu)分析49-52
• 4.3.1 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS復(fù)合光陽(yáng)極的制備49
• 4.3.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS復(fù)合光陽(yáng)極的表面形貌分析49-51
• 4.3.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS復(fù)合光陽(yáng)極微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試51-52
• 4.3.4 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS復(fù)合光陽(yáng)極的成分分析52
• 4.4 FTO/CuS陰極的制備及工藝優(yōu)化52-55
• 4.4.1 FTO/CuS陰極的制備及形貌、結(jié)構(gòu)表征52-54
• 4.4.2 FTO/CuS陰極電化學(xué)性能測(cè)試54
• 4.4.3 不同F(xiàn)TO/CuS陰極對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響54-55
• 4.5 不同尺寸的HGN對(duì)太陽(yáng)能電池光電性能的影響55-58
• 4.5.1 HGN尺寸對(duì)光陽(yáng)極光學(xué)性能的影響55-56
• 4.5.2 HGN尺寸對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響56-58
• 4.6 HGN579濃度對(duì)電池光電性能的影響及機(jī)理研究58-60
• 4.6.1 HGN579濃度對(duì)電池光電性能的影響規(guī)律58-59
• 4.6.2 激子分離效率的研究59-60
• 4.6.3 電化學(xué)阻抗測(cè)試60
• 4.7 CdSe量變對(duì)電池性能的影響60-62
• 4.8 FTO/ Pt與FTO/CuS陰極對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響62-63
• 4.9 本章小節(jié)63-64
• 參考文獻(xiàn)64-68
• 第五章 金空心球調(diào)控TiO_2BNR/CdSe/ZnS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電性能研究68-78
• 5.1 前言68
• 5.2 FTO/TiO_2BNR/CdSe/ZnS光陽(yáng)極的制備及工藝優(yōu)化68-72
• 5.2.1 分枝狀TiO_2NR的制備及工藝優(yōu)化68-71
• 5.2.2 FTO/TiO_2BNR/CdSe/ZnS光陽(yáng)極制備及形貌的分析71-72
• 5.3 TiO_2分枝形態(tài)對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響72-73
• 5.4 本章小結(jié)73-75
• 參考文獻(xiàn)75-78
• 第六章 總結(jié)78-80
• 攻讀學(xué)位期間主要研究成果80-81
• 致謝81

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