量子点敏化太阳能电池Cu2S对电极研究和光阳极优化

摘要

能源和环境的可持续发展是现代科学和技术的普遍主题，太阳能是最丰富的来自自然界的礼物。几个世纪以来人们努力地推进太阳能高效率和低成本的利用。染料敏化太阳能电池(DSSCs)曾经被认为是物理光伏器件的替代产品，后来，窄带隙量子点由于由于其成本低、易制备、可调吸收光谱从可见到近红外区而被用作敏化剂。量子点敏化太阳能电池Q(DSSCs)的理论光电转换效率高达66％和其他诸多优点，到得广泛关注。由其结构和原理可知，其光电转换效率最终由各个部分的相互作用共同决定，量子点作为其核心，量子点的性质直接决定了电池性能的好坏;对电极作为电子回路中不可或缺的部分，其对氧化还原电对的催化作用对能否真正体现电池光阳极性能有重要影响。本论文先从对电极着手，研究了最常见的Cu/Cu2S电极过程，再对CdS/PbS/TiO2光阳极量子点进行了优化，主要结果如下:
　　首先，通过电化学合成Cu/Cu2S电极，研究了Cu2S在Cu电极表面的生长过程，S2-/Sn2-在Cu和Cu2S表面的氧化还原过程，在Na2S溶液中极化时，首先需要一个活化过程，Cu2S膜生长和相转变过程自发进行。并通过Tafel曲线测定了全固态电化学池的电荷迁移率，其电流密度高达2.27 A/cm2，从电流密度方面讲，Cu2S是一种优良的对电极材料。Cu/Cu2S作为固态电解质和对电极的全固态Mn-CdS量子点敏化太阳能电池有光电响应。通过测试全固态Cu/Cu2S/Cu电化学电解池的I-V特性，发现其稳定良好的记忆存储性能。
　　其次，确定Cu2S对电极上反应不是电池回路中电子决速步后，(预测)对光阳极部分进行了优化研究。通过对光阳极TiO2膜厚度、量子点沉积SILAR循环次数和PbS量子点中Cd掺杂浓度等方面进行Cd-PbS/CdS共敏化QDSSCs的光阳极优化:[Pb2+]=0.01M，掺杂前后均为SILAR周期数为5时电池性能最好;掺杂后，电池的性能指标明显提升，当光阳极膜结构为三层透明层和一层散射层的(3+1)结构、[Cd2+]=0.30 M时，太阳能电池性能最好。最佳条件下电池参数:JSC=24.47 mA/cm2，VOC=0.52V，FF=0.52，η=5.33％，通过光学和电学表征证明了掺杂后量子点带隙变窄，其光吸收和IPCE均明显增强。高分辨透射电镜展示了其晶格变化，说明了结构的变化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池简介

1．2．1 太阳能电池发展历程

1．2．2 太阳能电池基本参数

1．3 新型太阳能电池简介

1．3．1 量子点太阳能电池

1．3．2 有机聚合物太阳能电池

1．3．3 钙钛矿太阳能电池

1．3．4 敏化太阳能电池

1．4 量子点敏化太阳能

1．4．1 量子点敏化太阳能电池概述

1．4．2 量子点敏化太阳能电池的结构

1．4．3 量子点敏化太阳能电池的基本原理

1．4．4 量子点敏化太阳能电池的研究现状

1．4．5 常用的电化学研究方法

1．5 本论文目的和设想

参考文献

第二章 实验部分

2．1 试剂与材料

2．2 各类电极的制备

2．2．1 Cu电极的制备

2．2．2 TiO2光阳极的制备

2．2．3 TiO2光阳极上QDs的制备

2．2．4 Cu2S对电极的电化学制备

2．2．5 Cu2S对电极的直接腐蚀法制备

2．2．6 量子点敏化太阳能电池组装

2．3 结构与性能表征

2．3．1 形貌表征

2．3．2 XRD表征

2．3．3 XPS表征

2．3．4 全光谱吸收表征

2．3．5 电导率测试

2．3．6 Tafel极化曲线

2．3．7 光电性能表征

参考文献

第三章 Cu／Cu2S电极的制备与测试

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 Cu／Cu2S电极制备

3．2．2 Mn-CdS光阳极制备

3．2．3 固态太阳能电池组装

3．2．4 电化学测试

3．2．5 光电化学性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 电解液电导率

3．3．2 Cu／Cu2S电极电化学合成及反应机理

3．3．3 Cu／Cu2S电极的表征

3．3．4 全固态Cu／Cu2S／Cu电化学电解池的表征

3．3．5 固态TiO2／Mn-CdS／Cu2S／Cu电池光电性能表征

3．4 总结

参考文献

第四章 Cd-PbS／CdS量子点共敏化太阳能电池的制备与优化

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 Cd-PbS／CdS共敏化光阳极的制备

4．2．2 电解液配置

4．2．3 对电极制备

4．2．4 量子点敏化太阳能电池的组装

4．2．5 性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 PbS量子点沉积条件对QDSSCs效率的影响

4．3．2 光阳极膜厚度对QDSSCs效率的影响

4．3．3 掺杂浓度对QDSSCs效率的影响

4．3．4 光学和电学表征

4．3．5 透射电镜表征

4．4 总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢