CdS量子点敏化ZnO/ZnS纳米结构太阳能电池的研究

【摘要】：能源危机已成为人类面临的主要难题之一。人类目前所利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。这几种能源的储量在逐年减小，而且价格不断攀升。能量的短缺严重地抑制了未来社会的发展。开发新能源和可再生清洁能源在世界经济发展中具有重要作用。充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能资源取之不尽、用之不竭，因此将太阳能转化成电能和热能为人类服务一直是科学家追求的目标。在太阳能利用中，太阳能发电最受瞩目。太阳能电池具有很多优点，比如：安全可靠，无噪声，无污染，能量随处可得等等。量子点敏化太阳能电池在第三代太阳能电池中占有重要地位。理论的研究结果表明量子点材料由于具备可调的吸收波段、多重激子效应和双光子激发效应，可以获得高达66％的光电转换效率。因此量子点敏化太阳能电池受到科研工作者的广泛关注。 本论文将ZnO做为光电阳极材料，镀有Pt的ITO作为对电极，中间充满碘电解质来制作太阳能电池。首次研究了ZnS和ZnS:Mn2+纳米粒子作为致密层对电子传输的影响。而且研究了量子点和染料共敏化在改进太阳能电池效率方面的作用。主要内容如下： 1.通过水热法成功生长了ZnO纳米钉和纳米棒，PL和变温PL同时揭示了ZnO纳米钉中具有更少的非辐射复合，使得ZnO纳米钉的紫外发光强度与可见发光强度的比是ZnO纳米棒的2.3倍。该研究将会激发更多关于ZnO纳米钉的研究，并为其在激光器、气体传感器和发光器件方面的应用研究奠定一定理论基础。 2.在ZnO纳米棒的表面覆盖一层ZnS，以ZnO/ZnS的复合结构做为光电阳极，制作量子点敏化太阳能电池。研究了不同方法制备的ZnS致密层对太阳能电池的性能影响。与旋涂方法制备的ZnS层相比，通过连续离子层沉积方法制备的ZnS层能更有效地阻碍电子的反方向传输，抑制电子和空穴的复合，从而有效提高太阳能电池的开路电压。 3.为提高ZnO/ZnS/CdS电池能级匹配程度，用ZnS:Mn2+纳米颗粒替代ZnS作为致密层，制作太阳能电池。采用旋涂法将ZnS:Mn2+纳米颗粒沉积在ZnO纳米棒的表面。结果表明随着锰掺杂浓度的提高，ZnS:Mn2+的导带底下移，有利于电子向ZnO纳米棒的传输，从而使得量子点敏化太阳能电池的效率增大。 4.通过连续离子层沉积的方法在ZnO纳米棒上生长一层ZnS层，并以ZnO/ZnS为光电阳极制备量子点敏化和CdS/N719共敏化太阳能电池。当CdS的沉积次数为12次时，量子点单敏化的太阳能电池的效率达到最佳。以此结构为基础，又研究了量子点/有机染料共敏化太阳能电池，研究发现，当染料的沉积时间为17h时，共敏化太阳能电池的效率比单敏化太阳能电池的效率提高了37%。 【关键词】：ZnO纳米结构 ZnO/ZnS复合纳米结构 CdS量子点 太阳能电池 光吸收
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-41
• 1.1 课题研究背景及意义13-17
• 1.1.1 太阳能电池的研究背景及意义13-14
• 1.1.2 表征太阳能电池性能的相关参数14-17
• 1.2 相关领域的研究现状17-39
• 1.2.1 太阳能电池的研究进展17-34
• 1.2.2 量子点敏化太阳能电池的研究现状34-39
• 1.3 论文的主要研究内容和结构安排39-41
• 1.3.1 论文的主要研究内容39-40
• 1.3.2 论文的结构安排40-41
• 第2章 实验方法与表征手段41-51
• 2.1 样品制备方法41-43
• 2.1.1 水热法41-42
• 2.1.2 溶剂热法42
• 2.1.3 两步化学水浴沉积法42-43
• 2.1.4 连续离子层沉积法43
• 2.2 表征手段43-51
• 2.2.1 X 射线衍射（X-ray Diffraction）43-45
• 2.2.2 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）45-46
• 2.2.3 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope）46-47
• 2.2.4 光致发光光谱分析（Photoluminescence）47-49
• 2.2.5 紫外-可见分光光度计（Ultraviolet-Visible Spectrophotometer）49-50
• 2.2.6 太阳光模拟器（Solar Simulator）50-51
• 第3章 ZnO 纳米结构光学性质研究51-63
• 3.1 引言51
• 3.2 ZnO 纳米棒和纳米钉的制备方法及测试手段51-52
• 3.2.1 ZnO 纳米棒和纳米钉的制备方法51-52
• 3.2.2 样品的测试手段52
• 3.3 ZnO 纳米棒和纳米钉的结构和发光性能研究52-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第4章 ZnS 致密层对电池性能的影响63-77
• 4.1 引言63
• 4.2 制备方法及测试手段63-65
• 4.3 两种方法制备的 ZnS 对太阳能电池的影响65-74
• 4.4 本章小结74-77
• 第5章 ZnS:Mn~(2+)纳米颗粒致密层对电池性能的影响77-85
• 5.1 引言77
• 5.2 制备方法及测试手段77-78
• 5.3 ZnS:Mn~(2+)纳米颗粒致密层对太阳能电池性能影响78-83
• 5.4 本章小结83-85
• 第6章 量子点/有机染料共敏化太阳能电池性能研究85-97
• 6.1 引言85-86
• 6.2 制备方法及测试手段86-87
• 6.3 共敏化太阳能电池性能研究87-96
• 6.4 本章小结96-97
• 第7章 结论与展望97-99
• 7.1 结论97-98
• 7.2 研究展望98-99
• 参考文献99-120
• 在学期间学术成果情况120-121
• 指导教师及作者简介121-122
• 致谢122

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