S-基量子点敏化ZnO/TiO2核壳异质结太阳能电池的改性研究与性能优化

摘要

量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)是以低成本将太阳能转化为电能的材料，已经成为了太阳能电池研究的热点。ZnO和TiO2等宽禁带半导体材料由于其良好的光伏性能常常被应用于QDSSCs中。ZnO纳米材料具有较高的电子传输能力和良好的带隙能，但不能吸收可见光和近红外光。TiO2具有光催化活性高，耐酸碱性强，耐光腐蚀，成本低，无毒等优点。ZnO/TiO2核壳异质结不但可以拓宽ZnO纳米材料的光吸收波长范围，还可以防止或减缓由外界环境引起的材料的腐蚀。而量子点的主要特征是量子尺寸效应、表面效应和多重激发效应。量子点敏化纳米半导体材料可以扩大它们对太阳光谱的吸收。
　　本文通过水热法制备了排列整齐有序的ZnO纳米棒(NRs)，并在ZnO纳米棒表面旋涂了TiO2壳层，合成了ZnO/TiO2核壳异质结。分别通过直接吸附法(DA)和连续离子层吸附法(SILAR)，将CdS量子点和PbS量子点(QDs)吸附在纳米结构表面。
　　本论文通过X射线粉末衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍透射电子显微镜(HRTEM)、紫外吸收分光光度计(UV-vis)等表征方法对样品进行了表征分析。并通过ECS电化学工作站等对样品组装的光阳极太阳能电池的光电性能进行了研究分析。实验主要研究内容和结论如下:
　　(1)通过水热法合成了排列紧密有序的ZnO纳米棒。以巯基乙酸为稳定剂，利用一步水相法合成了CdS量子点。采用DA法制备得到敏化不同时间的ZnO/CdS光阳极材料。并讨论了不同敏化时间对其性能的影响。以Pb(NO3)2溶液为Pb源，以Na2S溶液为S源，利用SILAR法合成PbS/ZnO光阳极材料，并讨论了不同沉积次数对其性能的影响。实验结果表明，ZnO纳米棒的紫外可见吸收边缘大约在400nm，CdS量子点敏化后的ZnO纳米棒的紫外可见吸收拓宽到了450nm。当CdS量子点敏化ZnO纳米棒的时间为6h时，ZnO/CdS光阳极组装的太阳能电池的η达到最大值1.07％，是未敏化ZnO纳米棒(0.21％)的5.10倍;Jsc增加到6.80mA.cm-2;Voc增加到0.39V;最大FF值为0.41。PbS量子点敏化后的ZnO纳米棒的光电性能也得到了明显的改善。ZnO/PbS复合材料的吸光范围拓宽到了整个可见光区，而且在可见光区域的吸收强度明显增强。当PbS量子点的沉积次数为3次时，ZnO/PbS复合材料光阳极的光电性能参数最高，光电转化效率η达到最大值0.90％，是未敏化ZnO光阳极组装太阳能电池(0.21％)的4.29倍，短路电流密度Jsc达到最大值6.13mA·cm-2，填充因子FF达到最大值0.40，开路电压为0.37V。
　　(2)利用旋涂法在ZnO纳米棒表面旋涂了TiO2壳层，合成了ZnO/TiO2核壳异质结。并讨论了不同旋涂次数对核壳异质结性能的影响。结果表明，旋涂TiO2后，ZnO/TiO2复合材料的紫外可见吸光范围拓宽到了550nm，而且对425-550nm波长光的吸收强度明显增强。当TiO2的旋涂次数为10次时，ZnO/TiO2光阳极组装的太阳能电池的开路电压达到最大值0.41V，Jsc值达到最大值6.44mA.cm-2，FF达到最大值0.39，η达到最大值1.04％，是ZnO纳米棒组装的太阳能电池光电转化效率(0.21％)的4.95倍。
　　(3)分别通过DA法和SILAR法，将CdS量子点和PbS量子点吸附在ZnO/TiO2核壳异质结纳米结构表面。讨论了不同TiO2旋涂次数对其光电性能的影响，并与CdS量子点或PbS量子点单敏化ZnO/TiO2核壳异质结作对比。结果表明，CdS和PbS量子点共敏化后的ZnO/TiO2核壳异质结的光吸收范围覆盖了整个紫外-可见光区。当TiO2的旋涂次数为10次时，由ZnO/TiO2(10T)/CdS/PbS光电阳极组装的QDSSCs的IPCE最高为36.04％，光电效率η为1.59％;与ZnO/TiO2(10T)/CdS相比，其光电效率分别是未敏化ZnO(0.21％)光阳极和ZnO/TiO2(10T)(1.04％)光阳极的7.57和1.53倍，分别约ZnO/TiO2(10T)/CdS和ZnO/TiO2(10T)/PbS的1.46和1.20倍。由ZnO/TiO2(10T)/CdS/PbS光电阳极组装的QDSSCs的填充因子为0.36，光电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)分别达到最大值9.73mA.cm-2和0.46V。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 太阳能电池的研究进展

1．2．1 太阳能电池的分类

1．2．2 太阳能电池的研究现状

1．2．3 太阳能电池的工作原理及相关性能参数

1．3 量子点简介

1．3．1 量子点的性质与特性

1．3．2 量子点的制备方法

1．3．3 CdS与PbS量子点特性及应用

1．4 ZnO纳米棒和ZnO／TiO2异质结构

1．4．1 ZnO纳米棒的基本性质与应用

1．4．2 ZnO纳米棒的制备方法

1．4．3 ZnO／TiO2异质结构的性质与制备

1．5 量子点敏化太阳能电池简介

1．5．1 量子点敏化太阳能电池的研究现状

1．5．2 量子点敏化太阳能电池的工作原理

1．5．3 量子点敏化太阳能电池的制备

1．6 论文的选题思想和主要研究内容

1．7 课题来源

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 样品的测试与表征

2．2．1 晶体结构表征

2．2．2 表面形貌分析及晶格分析

2．2．3 紫外吸收表征

2．2．4 太阳能电池光电性能测试

第三章 ZnO／CdS和ZnO／PbS光阳极的制备及光电性能研究

3．1 引言

3．2 实验内容

3．2．1 ZnO纳米棒的合成

3．2．2 ZnO／CdS光阳极的合成

3．2．3 PbS／ZnO光阳极的合成

3．3 ZnO／CdS光阳极的表征及光电性能测试

3．3．1 ZnO纳米棒和CdS量子点的结构和形貌表征

3．3．2 ZnO／CdS光阳极的结构和形貌分析

3．3．3 ZnO／CdS光阳极的光电性能表征

3．4 ZnO／PbS光阳极的表征及光电性能测试

3．4．1 ZnO／PbS光阳极的结构和形貌分析

3．4．2 ZnO／PbS光阳极的光电性能表征

3．5 本章小结

第四章 ZnO／TiO2核壳异质结的合成及其光电应用

4．1 引言

4．3 ZnO／TiO2核壳异质结的表征及光电性能测试

4．3．1 ZnO／TiO2核壳异质结的结构和形貌分析

4．3．2 ZnO／TiO2核壳异质结的光电性能表征

4．4 本章小结

第五章 CdS与PbS量子点共敏化ZnO／TiO2异质结太阳能电池的研究

5．1 引言

5．3 ZnO／TiO2／CdS／PbS复合材料的结构和形貌分析

5．4 ZnO／TiO2／CdS／PbS复合材料的光电性能表征

5．5 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文