太阳能电池中TiO_2纳米结构光阳极的构筑及其光电性质的研究

【摘要】：利用太阳能缓解能源短缺和污染问题是我国可持续发展的战略需求,敏化类太阳能电池(包括染料敏化太阳能电池(DSSCs)和量子点敏化太阳能电池(QDSCs))具有生产成本低和理论转换效率高等优点成为太阳能有效利用领域的热点研究方向。但是,目前报道的光电转换效率与理论值相比还有较大的差距。如何进一步提高DSSCs和QDSCs的光电转换效率成为了当前研究的热点。其中,光阳极的构建是核心。一维TiO_2纳米结构虽然能够为电子传输提供直接的路径,有效地降低光生电荷的复合,但是,这种结构的比表面积较小,敏化剂的负载量有限,严重影响了敏化太阳能电池的光电转换效率。因此,如何优化光阳极结构,提高光利用率同时抑制电极内光生电荷的复合是改善敏化太阳能电池光电性能的关键。另一方面,CdS量子点单独敏化的光阳极对于太阳光谱的利用有限,因此利用共敏化提高光利用率和光电转换效率的一种有效途径。针对以上提到的问题,本论文主要通过改善TiO_2纳米结构,采用窄带隙量子点材料等方面对光阳极进行优化,从而达到提高敏化太阳能电池光电转换效率的目的。具体研究内容分为以下几个部分:(1)针对一维TiO_2纳米棒阵列光利用率不足的缺点,我们制备了由一维金红石相TiO_2纳米棒阵列和锐钛矿相TiO_2微球构成的双层结构,将其成功的应用在DSSCs和QDSCs中。吸收光谱的结果显示双层结构提高了对光的散射能力同时敏化剂的沉积量有所增加从而提高了对太阳光的利用率。同时,表面光电压的测试结果表明金红石/锐钛矿异相结构能够促进薄膜内光生电子的转移,提高光生电子的转移效率,从而提高电子的寿命。综合以上几个方面的优势,双层结构作为光阳极的DSSCs和QDSCs的光电流密度比单纯的纳米棒阵列光阳极分别提高了4倍、2倍,转化效率也有所提高。(2)CdS量子点单独敏化的光阳极在电子传输方面存在缺陷,所以我们采用CdS和CuInS_2量子点进行共敏化。紫外吸收测试结果表明这种分层结构使沉积的量子点增多,提高了材料的光分散能力,达到了提高光利用率的目的。另外,CdS和CuInS_2量子点共敏化有利于增大吸收范围,加快电子传输,与单纯的CdS量子点敏化对比,共敏化方法在光吸收、光生电荷转移过程以及光电性能方面效果更好,转化效率较单独敏化提高了71%。 【关键词】：太阳能电池 TiO_2纳米结构 光阳极 表面光伏 光生电荷转移
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 前言11-39
• 1.1 引言11-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池（DSSCs）12-19
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池（DSSCs）的工作原理13-15
• 1.2.2 敏化剂的作用15-17
• 1.2.3 染料再生过程17-18
• 1.2.4 对电极18-19
• 1.3 量子点敏化太阳能电池（QDSCs）19-22
• 1.3.1 量子点敏化太阳能电池的结构和工作原理20
• 1.3.2 量子尺寸效应20-21
• 1.3.3 多激子激发效应21
• 1.3.4 较高的消光系数21-22
• 1.4 敏化类TiO_2光阳极的研究现状22-27
• 1.5 本论文的立题思想及工作内容27-28
• 参考文献28-39
• 第二章 双层结构的构筑及其光电性能研究39-61
• 2.1 实验部分40-44
• 2.1.1 试剂与仪器40
• 2.1.2 TiO_2纳米棒阵列薄膜的制备40-41
• 2.1.3 TiO_2微球的制备41
• 2.1.4 DSSCs器件组装41-42
• 2.1.5 光电性质表征和性能测试42-44
• 2.2 结果与讨论44-56
• 2.2.1 TiO_2微球薄膜厚度的优化44-46
• 2.2.2 光电阳极的形貌与结构分析46-47
• 2.2.3 DSSCs光阳极的光电性质表征47-53
• 2.2.4 DSSCs光伏性能分析53-54
• 2.2.5 QDSCs光阳极的光电性质表征54-55
• 2.2.6 QDSCs光伏性能分析55-56
• 2.3 本章小结56-58
• 参考文献58-61
• 第三章 CuInS_2/CdS共同敏化的TiO_2分级结构光阳极光电性能的研究61-74
• 3.1 实验部分62-64
• 3.1.1 试剂与仪器62-63
• 3.1.2 H-TiO_2 NRs的合成63
• 3.1.3 量子点敏化及QDSCs器件组装63-64
• 3.1.4 光电性质和性能表征64
• 3.2 结果与讨论64-70
• 3.2.1 TiO_2纳米棒分层结构的结构和形貌分析64-66
• 3.2.2 样品的光学性质测试66-69
• 3.2.3 QDSCs光电性能的测试69-70
• 3.3 本章小结70-71
• 参考文献71-74
• 第四章 总结与展望74-75
• 4.1 总结74
• 4.2 展望74-75
• 作者简历75
• 攻读学位期间发表论文75-77
• 致谢77

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