基于SnO_2光阳极的CdS量子点敏化太阳能电池研究

【摘要】：太阳能是一种绿色清洁来源广泛的能源，不仅可以解决全球的能源危机，而且对环境的可持续发展具有极其重要的战略意义。太阳能电池是利用太阳能的一种有效的途径。量子点敏化太阳能电池（QDSSC）是染料化太阳能电池的延伸，相比染料敏化太阳能电池具有很多优势，在理论上转化效率高，性能稳定，生产成本低，因此具有潜在的研究价值。 半导体氧化物在量子点敏化太阳能电池中起着至关重要的作用。相对于TiO2氧化物半导体，SnO2具有更快的电子传输能力。此外，SnO2的带隙宽度比TiO2的大，因此可以减小电子在光阳极氧化物中的复合几率。延长QDSSC的使寿命。考虑到硫化镉(CdS)与二氧化锡(SnO2)的能级匹配因素，本论文采用CdS作为量子点敏化剂与介孔SnO2作为太阳能电池的光阳极组装成QDSSC，研究不同形貌SnO2的合成、Mn离子掺杂CdS敏化SnO2光阳极的制备及其光电性能。主要研究内容及研究结果如下： (1)以硫酸亚锡作为锡源，在常温下合成了SnO2粉末，高倍率扫描电镜图（SEM）显示其形貌为介孔微球，尺寸在100~500nm之间。用TiCl4水溶液对SnO2薄膜进行处理，从SEM图可看出介孔球表面生成了一薄层TiO2纳米颗粒。由于较大尺寸的SnO2介孔微球可以增强薄膜的光散射性能，其次，紧密堆砌的TiO2纳晶颗粒使SnO2介孔微球中的电子传输速度更快，从而有效抑制了电子在光阳极内部复合。同时，TiO2纳米颗粒增大了SnO2的比表面积从而提高了量子点附着量，能吸收更多太阳光子。由TiCl4溶液处理后的SnO2介孔微球组装的QDSSC的光电转换效率达到2.03%，比纯SnO2介孔微球构成的QDSSC光电转换效率提高了62.4%。 (2)采用离子交换法对CdS量子点掺杂过渡金属离子Mn2+，可以有效地提高QDSSC的光电性能。通过改变Mn2+的浓度，找出最优电池效率的Mn2+掺杂浓度为4wt%。光电转化效率可以达到2.46%。原因是由于Mn2+的掺杂增加了紫外可见吸收光谱的吸收波段范围，增强了吸收强度；此外还降低了电池的阻抗，增加电子扩散能力。Mn2+掺杂后，QDSSC的转换效率可以从原来的1.83%上升到2.80%，提高了53%。 (3)以氯化亚锡为反应前驱物，利用水热法合成纳米多孔SnO2粉体，通过控制水热时间，得到不同大小的SnO2纳米颗粒。将其作为光阳极，利用离子交换法制备CdS量子点，组装成QDSSC。探讨在不同水热时间下制备的纳米多孔SnO2粉体对CdS量子点敏化电池光电性能的影响。利用SEM、XRD、TEM分别对纳米多孔SnO2粉体的形貌和尺寸、结构进行表征。研究了不同水热时间形成的纳米多孔SnO2粉体作为光阳极对CdS量子点敏化QDSSC光电性能、单色光光电转换效率、EIS、UV-vis等的影响规律。结果表明：水热时间对QDSSC的效率有明显作用，当水热时间为24小时制备的SnO2粉体作为光阳极，组装的QDSSC的光电转换效率最高，约为2.46%。 (4)以氯化亚锡为前驱体，添加柠檬酸三钠作为添加剂，采用水热法合成了片层花状介孔SnO2。SEM图片看到所合成的样品形貌呈球状并且由许许多多的纳米片堆砌而成，片厚5-7nm。由于这种特殊的结构，使得片状SnO2有比较高的比表面积，具有优异的电子传输性能和光散射性能，因而作为光阳极组装的QDSSC光电效率提高到3.00%。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 SnO2介孔球 TiCl4处理 片层花状SnO2纳米SnO2颗粒
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O611.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 前言12-14
• 1.2 QDSSC 结构和工作原理14-18
• 1.2.1 QDSSC 基本结构14-16
• 1.2.2 QDSSC 工作原理16-18
• 1.3 QDSSC 的研究进展18-21
• 1.3.1 QDSSC 中金属氧化物电极材料的研究进展18
• 1.3.2 QDSSC 量子点敏化剂研究进展18-19
• 1.3.3 QDSSC 电解质研究进展19-20
• 1.3.4 QDSSC 对电极研究进展20-21
• 1.4 QDSSC 所面临的困难与挑战21
• 1.5 本论文的研究内容及意义21-24
• 第2章 SnO_2纳米球的优化及其在 QDSSC 中的应用24-36
• 2.1 引言24-25
• 2.2 实验药品及仪器25-26
• 2.2.1 实验药品25-26
• 2.2.2 实验仪器26
• 2.3 实验内容26-28
• 2.3.1 SnO_2介孔微球的合成26
• 2.3.2 SnO_2胶体的制备26-27
• 2.3.3 QDSSC 光阳极的制备27
• 2.3.4 QDSSC 电解质 S~(2-)/S_x~(2-)的配制27-28
• 2.3.5 QDSSC 的组装及光电性能测试28
• 2.4 结果与分析讨论28-34
• 2.4.1 晶体结构与形貌分析28-31
• 2.4.2 紫外-可见吸收光谱和电池的 IPCE31
• 2.4.3 QDSSC 光电性能31-33
• 2.4.4 电化学阻抗分析33-34
• 2.5 本章小结34-36
• 第3章 Mn~(2+)掺杂对 CdS 量子点敏化太阳能电池性能的影响36-46
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验药品及仪器37-38
• 3.2.1 实验药品37-38
• 3.2.2 实验仪器38
• 3.3 实验内容38-39
• 3.3.1 SnO_2纳米微球的制备38
• 3.3.2 SnO_2浆体制备38
• 3.3.3 QDSSC 光阳极的制备38-39
• 3.3.4 QDSSC 电解质39
• 3.3.5 样品表征39
• 3.3.6 DSSC 组装及光电性能测试39
• 3.4 结果与分析讨论39-44
• 3.4.1 晶体结构和元素分析39-40
• 3.4.2 样品形貌40-41
• 3.4.3 紫外可见吸收光谱和电池的 IPCE41-42
• 3.4.4 QDSSC 的光电性能42-43
• 3.4.5 电化学阻抗分析43-44
• 3.5 实验结论44-46
• 第4章 SnO_2粉体的水热的制备及其在 QDSSC 中的应用46-57
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验药品及仪器47-48
• 4.2.1 实验药品47-48
• 4.2.2 实验仪器48
• 4.3 实验内容48-50
• 4.3.1 水热法制备 SnO_2粉体48-49
• 4.3.2 SnO_2浆体制备49
• 4.3.3 QDSSC 光阳极的制备49
• 4.3.4 QDSSC 电解质49
• 4.3.5 样品表征49
• 4.3.6 QDSSC 组装及光电性能测试49-50
• 4.4 结果与分析讨论50-56
• 4.4.1 晶体结构分析50
• 4.4.2 样品形貌50-52
• 4.4.3 BET 比表面积和孔径分布52-54
• 4.4.4 紫外可见吸收光谱和电池的 IPCE54
• 4.4.5 QDSSC 的光电性能54-55
• 4.4.6 电化学阻抗分析55-56
• 4.5 实验结论56-57
• 第5章 片层花状 SnO_2的制备及其在 QDSSC 中的应用57-68
• 5.1 引言57-58
• 5.2 实验药品及仪器58-59
• 5.2.1 实验药品58-59
• 5.2.2 实验仪器59
• 5.3 实验内容59-60
• 5.3.1 微球 SnO_2和片层花状 SnO_2的制备59
• 5.3.2 SnO_2浆体制备59-60
• 5.3.3 QDSSC 光阳极的制备60
• 5.3.4 QDSSC 电解质60
• 5.3.5 样品表征60
• 5.3.6 QDSSC 组装及光电性能测试60
• 5.4 结果与分析讨论60-67
• 5.4.1 晶体结构分析60-61
• 5.4.2 样品形貌61-64
• 5.4.3 BET 比表面积和孔径分布64-65
• 5.4.4 紫外可见吸收光谱和电池的 IPCE65
• 5.4.5 QDSSC 的光电性能65-66
• 5.4.6 电化学阻抗分析66-67
• 5.5 实验结论67-68
• 第6章 总结68-70
• 参考文献70-79
• 致谢79-81
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果81-82

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