量子點敏化TiO_2納米結(jié)構(gòu)太陽能電池中光陽極的構(gòu)筑及其光電性質(zhì)的研究

【摘要】：隨著人類社會對能源需求的激增，高效利用太陽能已成為當(dāng)今人類社會發(fā)展和進步的必然選擇。作為新興起的第三代太陽能電池的代表，量子點敏化太陽能電池由于低生產(chǎn)成本和高理論轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)受到了科研工作者們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池相比，量子點作為光敏劑具有帶隙可調(diào)，消光系數(shù)高和多重激子效應(yīng)等優(yōu)點，使得該類太陽能電池的理論最高光電轉(zhuǎn)換效率可以達到44%,遠高于傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池的Shockley-Queisser極限轉(zhuǎn)換效率(~32%)。因此，量子點敏化太陽能電池具有重大的研究價值和很好的發(fā)展前景。 到目前為止，量子點敏化太陽能電池的實際光電轉(zhuǎn)換效率還不到7%，這與染料敏化太陽能電池12.3%的轉(zhuǎn)換效率記錄還有很大的差距，因此如何進一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率成為當(dāng)前QDSCs研究的重要課題。作為量子點敏化太陽能電池中的核心組成部分，由半導(dǎo)體氧化物薄膜和量子點組成的光陽極直接影響著太陽光的吸收利用情況和光生載流子的分離傳輸?shù)刃袨?，對于最終的光電轉(zhuǎn)換效率具有決定性的作用。傳統(tǒng)的TiO2納米晶薄膜中納米顆粒表面存在著大量的缺陷態(tài)和晶界勢壘，使光生電子的傳輸受到嚴(yán)重阻礙。一維TiO2納米結(jié)構(gòu)，尤其是單晶的TiO2納米棒陣列能夠為電子傳輸提供直接的路徑，提高光生電子的收集效率，因此在染料敏化和量子點敏化太陽能中有著十分廣泛的應(yīng)用。另一方面，傳統(tǒng)的CdS和CdSe量子點等帶隙較寬的量子點對于太陽光的吸收最多只能到750nm，而對于750nm以后的近紅外光幾乎沒有吸收，導(dǎo)致對整個太陽光譜的利用有限。因此開發(fā)新型的窄帶隙量子點也是目前提高光利用率和光電轉(zhuǎn)換效率的一種有效途徑。 本論文結(jié)合材料合成與器件制作，通過構(gòu)筑新穎的光陽極結(jié)構(gòu)在保持較高的光利用率的同時，提高光生電子的界面轉(zhuǎn)移過程，從而達到改善量子點敏化太陽能電池光伏性能的目的。同時我們結(jié)合穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)光電壓和電化學(xué)阻抗測試研究了電池內(nèi)部光生電荷的轉(zhuǎn)移行為（分離、傳輸和復(fù)合等），并探討了這些光生電荷行為對電池光伏性能的影響。具體研究內(nèi)容分為以下幾個部分： 1．針對一維TiO2納米棒陣列光利用率不足的缺點，我們利用簡單的二次水熱方法直接在FTO導(dǎo)電玻璃上制備出了ZnO/TiO2納米棒陣列分級結(jié)構(gòu)，并將其成功地應(yīng)用在QDSCs中。ZnO納米棒分支的修飾可以顯著地提高CdS量子點的負(fù)載量和光散射作用，從而提高太陽光的光利用。同時，ZnO/TiO2異質(zhì)結(jié)能夠促進薄膜內(nèi)光生電子從ZnO向TiO2的轉(zhuǎn)移，提高光生電子的收集效率。光電化學(xué)測試結(jié)果還表明了異質(zhì)結(jié)的存在能夠有效抑制光生電子與多硫化物電解液的復(fù)合過程，從而增加了光生電子的壽命。綜合以上幾個方面的優(yōu)勢，以1μm厚的ZnO/TiO2納米棒陣列作為光陽極組裝成電池器件后取得了0.73%的光電轉(zhuǎn)換效率。與同樣厚度的TiO2納米棒陣列相比，光電轉(zhuǎn)換效率提高了55%，表明ZnO/TiO2納米棒陣列分級結(jié)構(gòu)在光電太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。 2.為了進一步提高量子點敏化太陽能電池的光伏性能，我們在ZnO/TiO2納米棒陣列的基礎(chǔ)上利用液相轉(zhuǎn)化的方法將ZnO納米棒分支轉(zhuǎn)變了銳鈦礦TiO2納米管分支，從而構(gòu)筑了銳鈦礦納米管/金紅石納米棒異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)擁有較大的比表面積和對入射光較強的散射性能。另外，我們的表面光電壓測試結(jié)果證明了在光照射后，銳鈦礦中的光生電子可以有效地轉(zhuǎn)移到金紅石納米棒主干中，從而使光生電子的收集效率提高。同時，銳鈦礦/金紅石異相結(jié)能夠增加光生電子與電解液和量子點的復(fù)合電阻，延長光生電子的壽命。最終以1μm厚的銳鈦礦納米管/金紅石納米棒異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為光陽極組裝成電池器件后，最高光電轉(zhuǎn)換效率達到了1.04%，是單純TiO2納米棒陣列轉(zhuǎn)換效率2.7倍。 3.改進CdS量子點的組裝方式，在谷胱甘肽的輔助下采用簡單的水熱方法在TiO2納米棒陣列表面原位生長CdS量子點。在水熱的過程中，谷胱甘肽作為TiO2納米棒和CdS量子點之間的有機連接劑；同時它也是CdS量子點形成過程中的穩(wěn)定劑和硫源。掃描電鏡和透射電鏡結(jié)果顯示原位水熱生長的CdS量子點尺寸較為均勻，并且能夠很好地分散在TiO2納米棒的表面。表面光電壓測試證明了TiO2-CdS復(fù)合結(jié)構(gòu)中的光生電子-空穴對在可見光區(qū)具有較好的分離效率，最終組裝電池器件后取得了0.278%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，較為平穩(wěn)的光電流也表明了谷胱甘肽包覆的CdS量子點具有較好的穩(wěn)定性，在一定程度上能夠抑制其光腐蝕現(xiàn)象。 4.采用SILAR法成功在TiO2納米棒陣列上負(fù)載Ag2S量子點，并研究了Ag2S的沉積量對于光伏性能的影響。此外，我們利用表面光電壓技術(shù)研究了Ag2S量子點/TiO2納米棒陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)在可見光區(qū)光生電荷的分離過程。通過調(diào)控生長Ag2S量子點的負(fù)載量，我們發(fā)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的光伏特征發(fā)生了明顯的變化。組裝成量子點敏化太陽能電池器件后，在100mW cm-2的光強照射下，SILAR循環(huán)6次的Ag2S量子點/TiO2納米棒陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)取得了0.148%的最高光電轉(zhuǎn)換效率。最后我們詳細(xì)討論了太陽電池的性能與其內(nèi)部光生電荷分離特征的關(guān)系。 【關(guān)鍵詞】：TiO2納米結(jié)構(gòu) 量子點 光陽極 光生電荷性質(zhì) 太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ134.11;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 前言14-60
• 1.1 引言14-16
• 1.2 染料敏化太陽能電池16-17
• 1.3 量子點敏化太陽能電池17-20
• 1.3.1 量子點的特性17-19
• 1.3.2 量子點敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理19-20
• 1.4 量子點敏化太陽能電池的電荷轉(zhuǎn)移行為20-29
• 1.4.1 光生電子的注入過程21-23
• 1.4.2 光生空穴的轉(zhuǎn)移過程23-24
• 1.4.3 光生電荷的復(fù)合過程24-28
• 1.4.4 對電極處的氧化還原過程28-29
• 1.5 量子點敏化 TiO_2光陽極的研究現(xiàn)狀29-37
• 1.5.1 TiO_2納米結(jié)構(gòu)29-34
• 1.5.2 量子點材料的選擇34-35
• 1.5.3 量子點的組裝35-37
• 1.6 本論文的立題思想及工作內(nèi)容37-39
• 參考文獻39-60
• 第二章 ZnO/TiO_2納米棒分級結(jié)構(gòu)的制備及在量子點敏化太陽能電池的應(yīng)用60-80
• 2.1 實驗部分61-64
• 2.1.1 試劑與儀器61-62
• 2.1.2 TiO_2納米棒陣列的合成62
• 2.1.3 ZnO/TiO_2納米棒分級結(jié)構(gòu)的合成62-63
• 2.1.4 量子點敏化及 QDSCs 器件組裝63
• 2.1.5 光電性質(zhì)和性能表征63-64
• 2.2 結(jié)果與討論64-75
• 2.2.1 一維 TiO_2納米棒陣列的形貌與結(jié)構(gòu)分析64-65
• 2.2.2 ZnO/TiO_2納米棒分級結(jié)構(gòu)的形貌與結(jié)構(gòu)分析65-67
• 2.2.3 CdS 量子點敏化后樣品的形貌與結(jié)構(gòu)分析67-69
• 2.2.4 樣品的光學(xué)性質(zhì)測試69-70
• 2.2.5 樣品的表面光電壓測試70-71
• 2.2.6 QDSCs 光電性能的測試71-75
• 2.3 本章小結(jié)75
• 參考文獻75-80
• 第三章 銳鈦礦納米管/金紅石納米棒異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑以及在量子點敏化太陽能電池的應(yīng)用80-98
• 3.1 實驗部分81-83
• 3.1.1 試劑與儀器81
• 3.1.2 銳鈦礦納米管/金紅石納米棒分級結(jié)構(gòu)的合成81-82
• 3.1.3 量子點敏化及 QDSCs 器件組裝82
• 3.1.4 光電性質(zhì)和性能表征82-83
• 3.2 結(jié)果與討論83-93
• 3.2.1 銳鈦礦 TiO_2納米管的形成機理83-84
• 3.2.2 銳鈦礦納米管/金紅石納米棒分級結(jié)構(gòu)的形貌和結(jié)構(gòu)分析84-88
• 3.2.3 樣品的光學(xué)性質(zhì)測試88-89
• 3.2.4 樣品的表面光電壓測試89-90
• 3.2.5 QDSCs 光電性能的測試90-93
• 3.3 本章小結(jié)93
• 參考文獻93-98
• 第四章 TiO_2納米棒陣列原位水熱生長CdS量子點及其在太陽能電池中的應(yīng)用98-114
• 4.1 實驗部分99-101
• 4.1.1 試劑與儀器99-100
• 4.1.2 CdS 量子點/TiO_2納米棒陣列復(fù)合薄膜的制備100
• 4.1.3 QDSCs 器件組裝100-101
• 4.1.4 光電性質(zhì)表征和性能測試101
• 4.2 結(jié)果與討論101-109
• 4.2.1 CdS 量子點/TiO_2納米棒陣列復(fù)合薄膜的形貌與結(jié)構(gòu)分析101-104
• 4.2.2 復(fù)合薄膜光學(xué)及光電性質(zhì)表征104-107
• 4.2.3 QDSCs 光伏性能分析107-109
• 4.3 本章小結(jié)109
• 參考文獻109-114
• 第五章 窄帶隙 Ag_2S 量子點敏化 TiO_2納米棒陣列光陽極的制備及其太陽能電池性能研究114-126
• 5.1 實驗部分115-116
• 5.1.1 試劑與儀器115
• 5.1.2 Ag_2S 量子點/TiO_2納米棒陣列復(fù)合薄膜的制備115
• 5.1.3 QDSCs 器件組裝115-116
• 5.1.4 光電性質(zhì)和性能表征116
• 5.2 結(jié)果與討論116-123
• 5.2.1 Ag_2S 量子點/TiO_2納米棒陣列復(fù)合薄膜的形貌與結(jié)構(gòu)分析116-118
• 5.2.2 樣品的光學(xué)性質(zhì)118-119
• 5.2.3 樣品的光電性質(zhì)119-121
• 5.2.4 QDSCs 光電性能的測試121-123
• 5.3 本章小結(jié)123
• 參考文獻123-126
• 第六章 總結(jié)與展望126-128
• 6.1 總結(jié)126
• 6.2 展望126-128
• 作者簡歷128
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文128-131
• 致謝131-132

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