Hot-bubbling法合成單分散量子點(diǎn)及其在太陽能電池上的應(yīng)用研究

【摘要】：半導(dǎo)體量子點(diǎn)（Quantum dots，QDs）具有獨(dú)特的發(fā)光特性，使其在太陽能電池、光學(xué)生物標(biāo)記和發(fā)光器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文通過氣-熱液反應(yīng)（Hot-bubbling）法合成了油溶性量子點(diǎn)，并對量子點(diǎn)在太陽能電池上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，具體開展了以下工作： 1．利用高沸點(diǎn)烯烴作為反應(yīng)體系，采用氣-熱液反應(yīng)，合成了II-V族（如Cd6P7，Zn3P2）、II-Ⅵ族（如CdS）等單分散油溶性QDs。該方法結(jié)合了水相氣液合成（Henglein方法）和熱注射方法（Hot-injection）的優(yōu)點(diǎn)，將具有高傳質(zhì)效率的氣體引入到反應(yīng)體系中，得到的產(chǎn)物具有高的結(jié)晶性。該方法不僅解決了成本高昂的問題，也實現(xiàn)了量子點(diǎn)的宏量合成，單次合成產(chǎn)量達(dá)5.0g。研究表明：合成反應(yīng)發(fā)生在氣液界面上，高溫溶液體系中易于形成過飽和區(qū)域，實現(xiàn)了快速成核。通過控制氣體流速與加入保護(hù)配體的用量，能夠精確地控制量子點(diǎn)的生長，避免了Ostwald生長過程。通過控制合成溫度低于80oC，可以得到吸收峰位于313nm和323nm的兩種不同類型的CdS“魔法團(tuán)簇”（Magic-sized nanoclusters，MSNs）。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)，得到了吸收范圍在313-467nm的CdS QDs。該方法亦可用于合成復(fù)雜結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)，例如通過摻雜Mn，可以得到Mn：Cd6P7量子點(diǎn)，通過控制反應(yīng)氣氛，可以獲得具有核殼結(jié)構(gòu)的ZnO@Zn3P2量子點(diǎn)，拓寬了QDs發(fā)光范圍至710nm，延長了熒光壽命至430ns，提高了QDs的化學(xué)穩(wěn)定性，增大了ZnO@Zn3P2-ITO工作電極的光電流密度到8nA·cm-2。 2．采用配體交換（Ligand-exchange）作用改善量子點(diǎn)在多孔膜上的吸附問題，將量子點(diǎn)溶液與Ligand溶液（pH=10-12）按等體積混合，離心再分散。實驗發(fā)現(xiàn)：交換后的量子點(diǎn)可溶于水相中，并能在光陽極表面形成均勻的敏化膜。將量子點(diǎn)作為敏化劑構(gòu)建出QDs敏化太陽能電池（Quantum-dots sensitized solar cells，QDSSCs），考察了光電池的光伏性能。結(jié)果表明：當(dāng)采用不同尺寸的CdS量子點(diǎn)（如MSNs和常規(guī)QDs（d=5.0nm））共敏化時，得到的QDSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率η可達(dá)1.55%，比單一尺寸的量子點(diǎn)敏化光電池的η值高，如MSNs QDSSCs（η=0.53%）和常規(guī)QDs（d=5.0nm）的QDSSCs（η=0.98%），并且IPCE會出現(xiàn)與吸收光譜對應(yīng)的370nm和460nm兩個峰，實現(xiàn)了光譜響應(yīng)范圍的拓寬。將Mn：Cd6P7作為敏化劑，得到的光電轉(zhuǎn)換效率是未摻雜的兩倍多，說明Mn2+有利于電子的導(dǎo)出。 【關(guān)鍵詞】：Hot-bubbling法 油溶性量子點(diǎn) 量子點(diǎn)敏化電池 光電轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O657.3;TM914.4
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-14
• 插圖清單14-16
• 表格清單16-17
• 主要符號注釋表17-18
• 第一章 緒論18-31
• 1.1 量子點(diǎn)的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.1.1 量子點(diǎn)簡介18
• 1.1.2 量子點(diǎn)的基本性質(zhì)18-20
• 1.2 量子點(diǎn)的主要制備方法20-23
• 1.2.1 水體系氣液合成20
• 1.2.2 高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑體系合成20-22
• 1.2.3 化學(xué)沉淀法22
• 1.2.4 水熱法與溶劑熱法22-23
• 1.3 量子點(diǎn)的應(yīng)用23-25
• 1.3.1 量子點(diǎn)在生命科學(xué)中的應(yīng)用23-24
• 1.3.2 在分析科學(xué)上的應(yīng)用24
• 1.3.3 在光電器件上的應(yīng)用24-25
• 1.3.4 在能量轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用25
• 1.4 量子點(diǎn)敏化太陽能電池簡介25-29
• 1.4.1 量子點(diǎn)敏化太陽電池的工作原理26
• 1.4.2 量子點(diǎn)在多孔膜上的吸附方法26-27
• 1.4.3 量子點(diǎn)敏化太陽能電池的性能評價27-29
• 1.5 本論文的研究目標(biāo)及主要內(nèi)容29-31
• 1.5.1 課題的研究目標(biāo)29
• 1.5.2 研究的主要內(nèi)容29-31
• 第二章 實驗方法、原理及表征方法31-40
• 2.1 實驗主要儀器及試劑31-33
• 2.2 半導(dǎo)體納米晶的光學(xué)性質(zhì)33-37
• 2.2.1 原理33-34
• 2.2.2 氣-液反應(yīng)技術(shù)路線34-35
• 2.2.3 光譜性質(zhì)表征35-37
• 2.3 半導(dǎo)體納米晶的結(jié)構(gòu)性質(zhì)37
• 2.3.1 元素分析37
• 2.3.2 結(jié)構(gòu)表征37
• 2.4 太陽能電池的光伏性能37-40
• 2.4.1 量子點(diǎn)敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和原理37-38
• 2.4.2 量子點(diǎn)敏化太陽能電池的組裝38-39
• 2.4.3 量子點(diǎn)敏化太陽能電池的測試39-40
• 第三章 硫化鎘量子點(diǎn)的合成及其敏化電池的光伏性能研究40-54
• 3.1 引言40
• 3.2 硫化鎘量子點(diǎn)的合成40-50
• 3.2.1 實驗過程40-41
• 3.2.2 實驗結(jié)果與討論41-50
• 3.2.3 結(jié)論50
• 3.3 CdS 敏化太陽能電池的制備及光電性能研究50-53
• 3.3.1 實驗過程50-51
• 3.3.2 CdS 量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光伏性能51-53
• 3.3.3 結(jié)論53
• 3.4 本章小結(jié)53-54
• 第四章 Mn 摻雜量子點(diǎn)的研究54-61
• 4.1 引言54-55
• 4.2 實驗過程55
• 4.2.1 MnSt2的制備55
• 4.2.2 Mn：CdS 的合成55
• 4.2.3 Mn：Cd_6P_7的合成55
• 4.2.4 Mn 摻雜太陽能電池的構(gòu)造55
• 4.3 實驗結(jié)果與討論55-60
• 4.3.1 Mn：CdS 的光譜性質(zhì)55-56
• 4.3.2 Mn：Cd_6P_7的光譜性質(zhì)56-58
• 4.3.3 Mn：Cd_6P_7量子點(diǎn)敏化太陽能電池的性能研究58-60
• 4.4 本章小結(jié)60-61
• 第五章 ZnO@Zn_3P_2納米晶的合成以及光譜和光電化學(xué)性質(zhì)研究61-74
• 5.1 引言61
• 5.2 ZnO@Zn_3P_2的合成61-70
• 5.2.1 實驗過程61-63
• 5.2.2 實驗結(jié)果與討論63-70
• 5.3 ZnO@Zn_3P_2納米晶光電性能研究70-73
• 5.3.1 實驗過程70-71
• 5.3.2 ZnO@Zn_3P_2納米晶的光電性能71-73
• 5.4 本章小結(jié)73-74
• 第六章 結(jié)論與展望74-76
• 6.1 結(jié)論74-75
• 6.2 展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-87
• 攻讀碩士學(xué)位期間學(xué)術(shù)活動及成果情況87-88

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