量子点敏化太阳能电池的制备及其结构优化

【摘要】：将纳米技术引入光伏领域的第三代太阳能电池具有更高的理论转化效率，并且能够廉价大规模生产，从而具有了比传统光伏器件更好的经济性和实用性。其中，量子点敏化太阳能电池利用了量子点材料的量子限域效应和多重激发等优异的光电性能而展现出巨大潜力。然而，此类电池的实际转化效率只有5%左右，离实际应用有着相当大的距离。另外，电池各组件包括光阳极、电解液和对电极并没有得到系统的优化，内部机理的研究尚在起步阶段。因此从电池机理到器件的研究具有非常重要的意义。 本研究从量子点敏化太阳能电池机理入手，寻找制约光电性能的关键问题，然后通过对光阳极、量子点和对电极进行结构上的创新，提高电池的光电转化效率和长期的稳定性。 首先，制备了CdS量子点敏化的TiO2纳米棒太阳能电池，并研究了其光电性能；通过对此结果的分析，进一步讨论了制约电池性能的主要因素，研究了制备条件对量子点形貌及其光电性能的影响；然后通过测试电池的电子传输时间与寿命，深入研究了沉积过程对电子注入与复合过程的影响；继而分析了ZnS处理对电子复合的抑制作用。 其次，通过两步光沉积法将Ag2S量子点敏化到TiO2纳米棒的表面；研究了沉积过程对Ag2S量子点的影响，然后组装电池，并测试光电性能，从而找到了光沉积最佳条件。光电测试结果表明，Ag2S量子点敏化太阳能电池具有优异的性能，在100mW/cm2光照下达到了10.25mA/cm2的Jsc以及0.98%的光电转化效率。 最后，通过电沉积法制备了石墨烯对电极，通过连续离子层吸附反应法制备CoS电极，并结合两种方法循环沉积CoS/GS纳米结构对电极。结果表明，CoS/GS电极中石墨烯的插入能够有效地控制CoS纳米颗粒的尺寸，从而表现出了优异的催化性能。同时，电极的电化学结果表明，石墨烯能够将电子迅速转移到负载于其上的CoS纳米颗粒，从而实现对电解液的高效催化。通过这种方法制备的CoS/GS纳米结构对电极为开发高效催化性能的对电极提供了有益的思路。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 TiO2纳米棒 Ag2S量子点 石墨烯 CoS/石墨烯
【学位授予单位】：常州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-24
• 1.1 研究背景9
• 1.2 量子点敏化太阳能电池概述9-12
• 1.2.1 量子点敏化太阳能电池的历史发展9-10
• 1.2.2 量子点敏化太阳能电池的结构10-11
• 1.2.3 量子点敏化太阳能电池的工作原理11-12
• 1.3 量子点敏化太阳能电池的组装与测试12-15
• 1.3.1 量子点敏化太阳能电池的组装12-13
• 1.3.2 量子点敏化太阳能电池的测试13-15
• 1.4 量子点敏化太阳能电池材料及研究进展15-22
• 1.4.1 量子点16-19
• 1.4.2 纳米氧化物半导体19-20
• 1.4.3 电解液20-22
• 1.4.4 对电极22
• 1.5 选题意义及研究内容22-24
• 1.5.1 选题意义及研究目标22-23
• 1.5.2 本课题的研究内容23-24
• 2 CdS 量子点敏化 TiO_2纳米棒太阳能电池制备及电子传输与复合机理研究24-42
• 2.1 引言24
• 2.2 实验部分24-27
• 2.2.1 实验药品与实验仪器24-25
• 2.2.2 TiO_2纳米棒阵列的生长25-26
• 2.2.3 沉积 CdS 量子点26
• 2.2.4 ZnS 表面修饰 CdS 量子点26
• 2.2.5 量子点敏化太阳能电池的制备26-27
• 2.3 表征与性能测试27
• 2.4 结果与讨论27-40
• 2.4.1 TiO_2纳米棒阵列的形貌27-28
• 2.4.2 CdS 量子点敏化 TiO_2纳米棒形貌28-29
• 2.4.3 电池的光电特性29-32
• 2.4.4 量子点沉积过程对电子注入以及复合机理的影响32-38
• 2.4.5 ZnS 修饰对量子点上电子复合的抑制38-40
• 2.5 本章小结40-42
• 3 光沉积 Ag_2S 量子点及其在量子点敏化太阳能电池中的应用42-52
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验部分43-44
• 3.2.1 实验药品与实验仪器43-44
• 3.2.2 TiO_2纳米棒阵列的制备44
• 3.2.3 光沉积 Ag_2S 量子点44
• 3.2.4 量子点敏化太阳能电池的制备44
• 3.3 表征与性能测试44
• 3.4 结果与讨论44-51
• 3.4.1 TiO_2纳米棒阵列的形貌44-45
• 3.4.2 光沉积 Ag_2S 量子点45-47
• 3.4.3 光学与光电化学性能47-51
• 3.5 本章小结51-52
• 4 CoS/石墨烯纳米复合结构作为量子点敏化太阳能电池对电极材料研究52-65
• 4.1 前言52-53
• 4.2 实验部分53-56
• 4.2.1 实验药品与实验仪器53-54
• 4.2.2 石墨烯的制备54
• 4.2.3 电沉积石墨烯54-55
• 4.2.4 CoS 电极的制备55
• 4.2.5 CoS/石墨烯纳米结构的制备55-56
• 4.2.6 光阳极的制备56
• 4.3 表征与性能测试56
• 4.4 结果与讨论56-64
• 4.4.1 电化学沉积制备石墨烯电极56-64
• 4.5 本章小结64-65
• 5 总结与展望65-68
• 5.1 总结65-66
• 5.2 展望66-68
• 参考文献68-74
• 攻读学位期间研究成果74-76
• 致谢76

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