硫属半导体的制备及在太阳能电池上的应用

【摘要】：在当今化石燃料日渐枯竭的前提下，可再生清洁能源的开发和利用已经成为了当今人类的一个共同话题，太阳能电池也应运而生。在各种太阳能电池中，各类敏化太阳能电池由于其光电转化性能好，价格低廉，制作方法简单等优点脱颖而出。在纳米晶敏化类太阳能电池的各部分中，敏化剂的优化可以提高光电转化效率，对电极的开发可以在高效的前提下降低电池成本。为了推进纳米晶敏化太阳能电池的大规模工业化生产进程，本文从敏化剂的角度对纳米晶敏化太阳能电池进行了研究，并简单尝试了低成本对电极的研究。 本论文中包括的工作如下： 1、在第二章，我们首次在无保护的空气环境下通过简单低廉的水相反应合成亚稳态的纤维锌矿CuInS_2纳米晶颗粒。我们通过XRD，XPS，EDS，TEM等测试手段对合成的纳米晶颗粒的结构，元素组成以及微观形貌进行了表征。并且通过UV-vis光谱，表面光电压以及I-V曲线测试合成的样品的光电性能。其中，从UV-vis吸收光谱中可以看出在可见光以及近红外范围内，纤维锌矿CuInS_2纳米晶的吸收强度要比相同条件下测试的黄铜矿结构CuInS_2纳米晶的吸收强度要高。通过吸收带边长波外推法我们推算了纤维锌矿CuInS_2纳米晶颗粒的禁带宽度约为1.47eV，符合作为太阳能电池吸收材料的最佳禁带宽度。在可见光范围内良好的表面光电压以及I-V曲线性质同样可以证明我们合成的纤维锌矿CuInS_2纳米晶颗粒在光伏领域的潜在利用价值。因此，我们在无任何保护措施的空气环境中利用短链小分子MAA作为包裹剂，最终在水溶液中合成了无有机大分子基团，光电性质良好的亚稳态纤维锌矿CuInS_2纳米晶。并且简单的操作以及低廉的成本也增加了本章工作在太阳能电池方面的潜在应用价值。 2、在第三章，我们主要将前一章中水相合成的两种不同结构的CuInS_2纳米晶作为研究对象，并通过滴涂的方法在导电玻璃基底上制成CuInS_2薄膜，并分别作为染料敏化太阳能电池的对电极材料。经过XRD分析我们发现后期不同退火温度对CuInS_2纳米晶薄膜晶体结构会有很大影响。通过SEM的测试可以看出滴涂法是可以制得致密度高、平整度较好的薄膜。另外，我们分别将两种结构的CuInS_2纳米晶薄膜作为染料敏化太阳能电池的对电极，并最终测试其光电性能。实验结果发现，两种结构的CuInS_2薄膜与铂电极的光电转换效率几乎相当，表明了作为一种低廉的材料CuInS_2在未来有可能会取代昂贵的铂电极用于敏化电池。 3、在第四章，我们用第二章的方法合成CuInS_2纳米晶并结合TiO_2纳米棒阵列光阳极最终组装纳米晶敏化太阳能电池(QDSSC)。我们采用小分子MAA作为包裹剂合成CuInS_2纳米晶对QDSSC中传输电子的性能进行优化。本章还采用了TiO_2纳米棒阵列代替传统常用的TiO_2纳米颗粒薄膜作为光阳极材料，大大提高了导电性和电子传输性。通过实验结果的分析，我们可以很清楚的看到水相合成CuInS_2纳米晶并用于敏化TiO_2纳米棒阵列的方法用于纳米晶敏化太阳能电池是可行的。 4、在第五章，我们成功的利用CdS和PbS纳米晶作为共敏化剂来提高纳米晶敏化太阳能电池的光伏性能。与单一纳米晶敏化太阳能电池相比，以CdS/PbS作为共敏化对的纳米晶共敏化太阳能电池的整体光电转化效率等光伏性能有了显著的提高。并且在一个太阳强度(AM1.5,100mW/cm~2)的太阳能模拟器光照下CdS/PbS纳米晶共敏化太阳能电池达到了2.02%的光电转化效率。由于一维TiO_2纳米棒阵列以及FTO/TiO_2/CdS/PbS光电极内的阶梯状能带结构这两者优势的结合，我们得到了具有高的光电转化效率的纳米晶敏化太阳能电池。这些工作同样也证明了CdS/PbS纳米晶对共敏化TiO_2纳米棒阵列在提高纳米晶敏化太阳能电池的光伏性能方面有着很大的潜力。更重要的是我们所提出的CdS/PbS纳米晶对共敏化太阳能电池的生产成本低廉、操作工艺简单，并且最终得到的太阳能电池器件可以得到更好的光伏性能。 【关键词】：新能源 纳米晶敏化太阳能电池 CuInS_2 纳米晶
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN304;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第一章 前言10-26
• 1.1 太阳能电池的研究意义10-11
• 1.2 太阳能电池的种类11-14
• 1.2.1 硅基太阳能电池11-12
• 1.2.2 化合物半导体太阳能电池12
• 1.2.3 有机聚合物太阳能电池12-13
• 1.2.4 纳米晶敏化太阳能电池13-14
• 1.3 纳米晶敏化太阳能电池的结构和原理14-17
• 1.3.1 纳米晶敏化太阳能电池的结构14-15
• 1.3.2 纳米晶敏化太阳能电池的原理15-17
• 1.4 纳米晶敏化太阳能电池的研究进展17-19
• 1.4.1 光阳极的研究进展17
• 1.4.2 电解质的研究进展17
• 1.4.3 对电极的研究进展17-18
• 1.4.4 纳米晶敏化剂研究进展18-19
• 1.5 本论文的选题依据和论文内容19-22
• 1.5.1 论文的选题依据19-20
• 1.5.2 本论文的研究内容20-22
• 参考文献22-26
• 第二章 水相合成纤维锌矿 CuInS_2纳米晶26-42
• 2.1 引言26-27
• 2.2 实验部分27-28
• 2.2.1 实验原料27
• 2.2.2 水溶液合成 CuInS_2纳米晶27
• 2.2.3 性能测试27-28
• 2.3 结果与讨论28-38
• 2.3.1 CuInS_2纳米晶颗粒的 XRD 表征28-31
• 2.3.2 CuInS_2纳米晶颗粒的 EDS 分析31
• 2.3.3 CuInS_2纳米晶颗粒的 XPS 表征31-33
• 2.3.4 CuInS_2纳米晶颗粒的形貌表征及分析33-34
• 2.3.5 CuInS_2纳米晶颗粒的反应进程34-35
• 2.3.6 紫外-可见（UV-vis）吸收光谱与禁带分析35-36
• 2.3.7 纤维锌矿 CuInS_2的光电性能测试36-38
• 2.5 本章小结38-39
• 参考文献39-42
• 第三章 CuInS_2纳米晶颗粒薄膜的制备及作为对电极的研究42-56
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验部分43-44
• 3.2.1 试剂与表征仪器43
• 3.2.2 薄膜的制备43-44
• 3.3 结果与讨论44-53
• 3.3.1 CuInS_2纳米晶薄膜退火前后的 XRD 分析对比44-46
• 3.3.2 CuInS_2纳米晶薄膜表面及截面分析46-48
• 3.3.3 CuInS_2纳米晶薄膜表面及截面分析48-49
• 3.3.4 两种结构 CuInS_2薄膜作为对电极的 DSSC 电化学性能测试及对比49-53
• 3.4 本章小结53-54
• 参考文献54-56
• 第四章 CuInS_2纳米晶敏化 TiO_2纳米棒阵列的形貌及性能测试56-66
• 4.1 引言56-57
• 4.2 实验部分57-58
• 4.2.1 试剂与表征仪器57
• 4.2.2 量子点的沉积以及电池的组装57-58
• 4.3 结果与讨论58-63
• 4.3.1 合成的 CuInS_2量子点 XRD 数据分析58-59
• 4.3.2 CuInS_2量子点不同旋涂次数下 TiO_2纳米棒阵列的形貌59-60
• 4.3.3 沉积 CuInS_2量子点的 TiO_2纳米棒阵列的表面光电压60-61
• 4.3.4 水溶性 CuInS_2量子点敏化太阳能电池的光电性能61-63
• 4.5 本章小结63-64
• 参考文献64-66
• 第五章 通过 CdS 与 PbS 共敏化 TiO_2纳米棒阵列的方法来提高太阳能电池的性能66-80
• 5.1 引言66-67
• 5.2 实验部分67-69
• 5.2.1 实验原料67
• 5.2.2 TiO_2纳米棒阵列的制备67
• 5.2.3 PbS 与 CdS 量子点修饰 TiO_2纳米棒阵列67-68
• 5.2.4 性质的测试68
• 5.2.5 太阳能电池的制备及其光电性能的测量68-69
• 5.3 结果与讨论69-77
• 5.3.1 微观形貌分析69-71
• 5.3.2 XRD 和元素分析71-73
• 5.3.3 紫外-可见（UV-vis）吸收光谱73-74
• 5.3.4 光电极的光伏性能测试74-77
• 5.4 本章小结77-78
• 参考文献78-80
• 总结与展望80-84
• 工作总结80-81
• 存在的问题81-82
• 后期展望82-84
• 硕士期间发表和完成的论文84-86
• 致谢86-87

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