CdS量子点敏化TiO_2纳米管阵列太阳能电池的研究

【摘要】：高有序Ti02纳米管阵列(TNAs),由于其独特的垂直定向排列,在电子传输方面表现突出,光电性能优异。另外,TNAs在量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)的应用上潜力巨大,可以与多孔结构TiO2纳米材料相媲美。但是目前,TNAs在QDSSCs的应用上还存在很多的问题,如CdS量子点在TNAs表面的吸附作用较弱,TNAs存在表面态易形成复合中心,与CdS量子点修饰材料间的界面问题,电池工作时电解液无法完全进入纳米管内参与反应等。其中,影响最大的方面是半导体材料TiO2的表面态问题及与敏化剂之间的界面问题。本文主要通过对Ti02表面修饰改性的方法,减小TiO2的表面张力及表面态,使CdS量子点更均匀地沉积在TNAs上并进一步提高光生电子的传输性能,从而提高电池的效率。 本研究中,首先通过控制阳极氧化条件制备不同形貌的TNAs,分析研究TNAs的几何结构及晶体结构对其光电性能的影响。TNAs的几何特征中,管径及管长的尺寸可以通过调节氧化电压及氧化时间来控制,而TNAs的晶体结构则可以通过不同的退火温度来调节。结果表明,在同一氧化电压及氧化时间下,混晶结构的TNAs比单一的锐钛矿及金红石晶型的转化效率高,并且当金红石晶型的百分含量是锐钛矿晶型的2倍时,TNAs有最高的光电转化效率。在同一退火温度下,光电转化效率随着管长的增加及管径的增大而增大。另外,为了进一步分析TNAs的光电性能,我们引入几何粗糙因子来描述管长、管径及壁厚等几何结构因素的共同作用对TNAs性能的影响。结果表明,几何粗糙因子为125.32时,TNAs具有最好的光电转化效率,为13.2%。 采用阳极氧化法制备TNAs,然后利用连续离子层沉积法在TNAs表面沉积CdS量子点制备量子点敏化太阳能电池,得出最优制备条件。在同一氧化电压、退火温度及循环沉积次数下,阳极氧化时间为4h时,电池的转化效率最优,为0.15%。在同一阳极氧化电压、氧化时间及循环沉积次数下,退火温度为450℃时,电池的转化效率最优,为0.15%。沉积次数为6次时,电池的转化效率最优,为0.15%。 在沉积CdS之前,首先利用TiCl4、HNO3、KOH及MTMS对TNAs的表面进行修饰改性,目的是为了减小量子点太阳能电池的表面态及界面传输电阻。改性后,TNAs表面表现出超亲水及疏水的性质,而这些性质会直接地影响太阳能电池的转化效率。结果表明,TNAs改性后,表面张力改变,而这是影响CdS在TNAs表面吸附力作用的重要因素。另外,HNO3改性处理后,CdS敏化TNAs太阳能电池有最高的转化效率,为0.17%,比未经任何改性处理的电池提高了42%。 【关键词】：TiO_2纳米管阵列 表面改性 CdS量子点 量子点敏化太阳能电池
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 引言8
• 1.2 太阳能电池的分类8-11
• 1.3 量子点敏化太阳能电池11-14
• 1.4 量子点敏化太阳能电池的影响因素发展现状14-16
• 1.5 本课题研究的意义及主要内容16-18
• 2 几何结构及晶体结构对TiO_2纳米管阵列光电性能的影响18-28
• 2.1 引言18-19
• 2.2 实验部分19-20
• 2.3 结果与讨论20-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 CdS敏化TiO_2纳米管阵列太阳能电池28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 实验部分28-30
• 3.3 结果与讨论30-39
• 3.4 本章小结39-40
• 4 TiO_2纳米管阵列表面改性对CdS敏化太阳能电池的影响40-51
• 4.1 前言40-41
• 4.2 实验部分41-42
• 4.3 结果与讨论42-50
• 4.4 本章小结50-51
• 5 总结与展望51-52
• 参考文献52-60
• 在读期间发表论文60-61
• 后记61

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