ZnO/硫化物核/壳纳米阵列及其光伏性能研究

【摘要】：量子点敏化有机-无机固态太阳能电池因为兼具量子点太阳能电池和固态太阳能电池两类电池的优势而被视为一种非常具有潜力的太阳能电池。一维Zn O纳米阵列薄膜具有高的比表面积、易于制备成各种纳米结构以及极高的电子传输速率而被广泛用作电池的光阳极。本文中在ITO基底上制备的高度有序一维Zn O纳米阵列被作为光阳极应用于量子点敏化固态太阳能电池中。通过选用恰当能带结构及高吸光系数的二元或三元硫化物量子点对Zn O纳米阵列进行修饰可以通过拓宽光响应范围、提升可见光区的吸光强度以及组成梯度能级结构促进电子的分离、注入与传输而显著改善电池的光电性能。二元硫化物(Sb2S3、Ag2S、Cu S、Cu2S、Cd S、Bi2S3)作为敏化剂修饰的Zn O纳米阵列的制备过程主要基于离子交换的化学转化法,或在此基础上结合热溶剂法、热处理法制备三元硫化物(Ag In S2、Zn In2S4、Ag3Cu S2、Ag Sb S2)的Zn O纳米阵列。所有的制备过程反应条件温和,简单易控,对设备等并无严格要求,且所有的反应均以Zn O纳米阵列作为反应模板,制备的二元及三元敏化剂均在纳米阵列的表面形成一层均匀的量子点壳层。此方法也可以作为具有一定普适性的制备工艺用于合成其他满足化学转化法反应条件的二元或三元敏化剂修饰的Zn O纳米阵列。在本论文中,分别通过化学转化法及在此基础上结合热溶剂法或热处理法制备了具有良好形貌及结构的Zn O/Zn S/Sb2S3纳米阵列、Zn O/Zn S/Ag In S2纳米阵列及Zn O/Ag3Cu S2纳米阵列,并组装量子点敏化有机-无机固态太阳能电池后分别获得1.32%,2.11%和2.01%的光电效率。基于化学法制备的恰当形貌及结构的二元或三元硫化物作为敏化剂修饰的Zn O纳米阵列具有以下优势:(i)通过硫化物对Zn O的敏化而拓宽吸光范围及增加可见光区吸光强度;(ii)形成恰当的形貌及结构在提高比表面积的同时提高纳米阵列对入射光子的捕获率及利用率;(iii)形成恰当的梯度能级结构;(iv)一维纳米阵列对电子的快速传输及收集。因此,基于化学法制备的二元或三元硫化物修饰的Zn O纳米阵列可以作为一种非常具有潜力的结构应用于第三代太阳能电池或其他光电器件。 【关键词】：Zn O 化学转化法 二元敏化剂 三元敏化剂 电池
【学位授予单位】：天津城建大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 太阳能电池的发展与现状10-11
• 1.2 基于纳米晶氧化物半导体的太阳能电池概述11-15
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池12-13
• 1.2.2 量子点敏化太阳能电池13-14
• 1.2.3 极薄吸附层太阳能电池14-15
• 1.3 基于量子点敏化的有机-无机固态太阳能电池的概述15-17
• 1.3.1 量子点敏化有机-无机固态太阳能电池的结构15-17
• 1.3.2 量子点敏化有机-无机固态太阳能电池的工作原理17
• 1.4 影响量子点敏化有机-无机固态太阳能电池的因素17-21
• 1.4.1 光的吸收及利用18-19
• 1.4.1.1 拓宽光响应范围18
• 1.4.1.2 提高光捕获效率18-19
• 1.4.2 电子的传输及收集19-21
• 1.4.2.1 制备一维纳米阵列19-20
• 1.4.2.2 构筑梯度能级结构20
• 1.4.2.3 缓冲层20-21
• 1.5 本课题的选题思路及研究内容21-23
• 第二章 ZnO/ZnS/Sb_2S_3核/壳纳米结构的制备及光伏特性研究23-43
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验原料及设备24-25
• 2.3 ZnO/Zn S/Sb_2S_3的制备25-27
• 2.3.1 制备ZnO纳米棒25-26
• 2.3.1.1 清洗ITO玻璃25-26
• 2.3.1.2 配置溶胶26
• 2.3.1.3 制备ZnO纳米棒26
• 2.3.2 制备ZnO/ZnS/Sb_2S_3纳米管26
• 2.3.3 制备ZnO/ZnS/M_xS纳米管26-27
• 2.4 结构及形貌表征与光电性能测试27-28
• 2.4.1 场发射扫描电镜测试27
• 2.4.2 透射电镜测试27
• 2.4.3 X射线衍射测试27
• 2.4.4 吸光光谱测试27
• 2.4.5 电池的组装与性能测试27-28
• 2.5 ZnO/ZnS/Sb_2S_3纳米管阵列的结果与讨论28-38
• 2.5.1 ZnO/ZnS/Sb_2S_3纳米管阵列的生长过程28-31
• 2.5.2 ZnO/ZnS/Sb_2S_3的微观形貌与结构31-33
• 2.5.3 ZnO/ZnS/Sb_2S_3的X射线衍射分析33-34
• 2.5.4 ZnO/ZnS/Sb_2S_3的元素分布34-35
• 2.5.5 ZnO/ZnS/Sb_2S_3的光学性能分析35-36
• 2.5.6 ZnO/ZnS/Sb_2S_3的光伏性能36-37
• 2.5.7 ZnO/Sb_2S_3和ZnO/ZnS/Sb_2S_3的光伏性能37-38
• 2.6 其他硫化物的X射线衍射及电子衍射分析38-41
• 2.7 本章小结41-43
• 第三章 ZnO/ZnS/AgInS_2核/壳纳米结构的制备及光伏特性43-59
• 3.1 引言43-44
• 3.2 实验部分44-45
• 3.2.1 实验原料及设备44-45
• 3.2.2 ZnO/ZnS/AgInS_2的制备45
• 3.2.3 ZnO/ZnS/ZnIn_2S_4的制备45
• 3.4 结构形貌表征与光电性能测试45-46
• 3.4.1 场发射扫描电镜测试45
• 3.4.2 透射电镜测试45
• 3.4.3 X射线衍射测试45
• 3.4.4 吸光光谱测试45
• 3.4.5 电池的组装与性能测试45-46
• 3.5 Zn O/ZnS/AgInS_2纳米管阵列的结果与讨论46-55
• 3.5.1 ZnO/ZnS/AgInS_2的形貌46-47
• 3.5.2 ZnO/ZnS/AgInS_2的结构47-48
• 3.5.3 ZnO/ZnS/AgInS_2的生长过程讨论48-49
• 3.5.4 ZnO/ZnS/AgInS_2的X射线衍射与电子衍射分析49-51
• 3.5.5 ZnO/ZnS/Ag2S以及Zn O/ZnS/AgIn S_2的光学性能51-52
• 3.5.6 ZnO/ZnS/Ag2S以及Zn O/ZnS/AgIn S_2的光伏性能52-53
• 3.5.7 ZnO/ZnS/AgInS_2纳米阵列中的光子运动路径分析53-54
• 3.5.8 ZnO/ZnS/AgInS_2/P3HT的能级结构分析54-55
• 3.6 ZnO/Zn S/ZnIn_2S_4的结果与讨论55-57
• 3.6.1 ZnO/ZnS/ZnIn_2S_4的形貌与结构55-56
• 3.6.2 ZnO/ZnS/ZnIn_2S_4的X射线衍射与元素分布分析56-57
• 3.7 本章小结57-59
• 第四章 Zn O/Ag_3CuS_2核/壳纳米结构的制备及光伏特性59-71
• 4.1 引言59
• 4.2 Zn O/Ag_3CuS_2纳米管的制备及生长机理59-61
• 4.2.1 实验原料及设备59-60
• 4.2.2 ZnO/Ag_3CuS_2纳米结构的制备60-61
• 4.4 结构形貌表征与光电性能测试61-62
• 4.4.1 场发射扫描电镜测试61
• 4.4.2 透射电镜测试61
• 4.4.3 X射线衍射测试61
• 4.4.4 吸光光谱测试61
• 4.4.5 电池的组装与性能测试61-62
• 4.5 Zn O/Ag_3CuS_2纳米管阵列的结果与讨论62-67
• 4.5.1 ZnO/Ag_3CuS_2的制备过程62-63
• 4.5.1 ZnO/Ag_3CuS_2的形貌、结构以及X射线衍射分析63-65
• 4.5.2 ZnO/Ag_3CuS_2的光学性能65-66
• 4.5.3 ZnO/Ag_3CuS_2的光伏性能66-67
• 4.667-70
• 4.6.1 ZnO/AgSbS_2的形貌与结构67-69
• 4.6.2 ZnO/AgSbS_2的光学性能69-70
• 4.7 本章小结70-71
• 第五章 结论71-73
• 参考文献73-83
• 攻读硕士期间发表论文和参加科研情况说明83-85
• 致谢85-86

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