CdS量子点敏化ZnO纳米棒太阳能电池的改性研究与性能优化

摘要

近年来，纳米材料已成为光伏器件的重要组成材料。量子点敏化太阳能电池(QDS SCs)作为第三代太阳能光伏电池，是目前最尖端的太阳能电池之一。为了满足对清洁能源的需求，急需探索新方法捕获具有高转化效率的入射光子，以提高QDSSCs光电性能。一维纳米结构的ZnO纳米半导体材料具有良好的带隙能及较高的电子迁移率等优点，是重要的光伏半导体材料。但目前量子点敏化ZnO光电阳极的形式单一且转化效率不高，因此，本论文采用水热法制备ZnO纳米棒，以CdS量子点敏化ZnO纳米棒(ZnO/CdS)光电阳极为研究重点，分别对CdS量子点、ZnO纳米棒及ZnO/CdS界面层进行改性，分别制备了ZnO/CdS、ZnO/CdSe@CdS、ZnO/ZnS/CdS及TiO2/ZnO/CdS光电阳极材料;以ZnO/CdS作为光电阳极，制备了TiO2/PbS纳米管并首次被用作对电极材料，研究了由它们组装的QDSSCs的光电性能。
　　本文通过X射线衍射(XRD)、电子扫描电镜(SEM)、高倍透射电镜(HRTEM)、紫外吸收光谱(UV-vis)、荧光发射光谱(PL)及傅立叶红外光谱(FT-IR)等方法对制备的量子点、光电阳极及对电极材料进行表征分析。通过使用ECS电化学工作站以及IV特性测试系统等研究分析了QDSSCs系统的光电性能。结论如下:
　　(1)通过一步水相法以L-半胱氨酸为稳定剂合成了水溶性的CdS量子点，通过控制反应回流时间得到了不同尺寸的CdS量子点，采用直接吸附法(DA)制备得到ZnO/CdS光电阳极材料。随着CdS量子点合成时间的延长，CdS量子点粒径增大，量子点吸收范围拓宽，提高了ZnO/CdS光电阳极的光捕获能力。由ZnO/CdS光电阳极组装的太阳能电池在360-480nm范围内量子效率最大值达到24.16％，且光电转化效率最大值达到0.67％，是未敏化的ZnO光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的2.5倍。
　　(2)利用一步水相法合成了由巯基丙酸(MPA)稳定的CdSe@CdS核壳量子点，并使用DA法制备得到ZnO/CdSe@CdS光电阳极材料。CdSe@CdS核壳量子点形貌近似球形，平均尺寸为5-6nm。当CdSe@CdS量子点敏化时间为6h时，ZnO/CdSe@CdS(6h)光电阳极材料组装的太阳能电池的量子效率在540nm附近达到最大值52.87％，且光电转化效率达到最大值1.21％，是未敏化的ZnO光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的4.13倍。
　　(3)利用连续离子层吸附反应法(SILAR)制备得到ZnO/ZnS，并利用DA法制备得到ZnO/ZnS/CdS光电阳极。当ZnS致密层沉积周期为9时，ZnO/ZnS(9)/CdS光电阳极组装的太阳能电池的量子效率在波长为300-550nm范围内达到最大值30.80％，且光电转化效率达到最大值1.53％，分别是未敏化的ZnO纳米棒和ZnO/CdS光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的6倍和3倍。说明适当厚度的ZnS层不仅会抑制电子与空穴的复合反应，而且会有效钝化ZnO纳米棒表面，增加CdS量子点的负载量，提高光电阳极的光捕获能力，进而增强QDSSCs的光电性能。
　　(4)利用阳极氧化法合成了排列高度有序的TiO2纳米管阵列，通过水热法合成了TiO2/ZnO纳米复合材料，采用SILAR法制备得到TiO2/ZnO/CdS光电阳极。当ZnO沉积时间为3h时，TiO2/ZnO(3h)光电阳极组装的太阳能电池的量子效率达到最大值12.32％，且光电转化效率达到最大值0.33％，分别是TiO2纳米管和ZnO纳米棒光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的2.78倍和1.64倍。此外，当CdS量子点沉积周期为6时，由TiO2/ZnO/CdS(6)光电阳极组装的太阳能电池的量子效率在360-600nm范围内达到最大值40.00％，且光电转化效率达到最大值2.71％，是TiO2/ZnO及ZnO光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的8.21倍和13.55倍。
　　(5)利用阳极氧化法合成了排列高度有序的TiO2纳米管阵列，采用SILAR法制备得到TiO2/PbS复合材料，以此作为对电极，并以ZnO/CdS作为光电阳极组装成了QDSSCs。当PbS量子点沉积周期为6时，TiO2/PbS(6)对电极组装的太阳能电池的量子效率在375-475nm范围内达到最大值22.21％，且光电转化效率达到最大值0.65％，分别是Pt片和TiO2对电极组装的太阳能电池光电转化效率的4.41和2.28倍。说明合成的TiO2/PbS对电极在硫化物电解质溶液中表现出了良好的电催化活性和较好的导电性。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 引言

1．2 太阳能电池的研究进展

1．2．1 太阳能电池的研究现状

1．2．2 太阳能电池的分类

1．2．3 表征太阳能电池性能的相关参数

1．3 量子点简介

1．3．1 量子点的特性

1．3．2 量子点的制备方法

1．3．3 量子点的应用

1．4 ZnO纳米材料简介

1．4．1 ZnO纳米材料的形貌结构

1．4．2 ZnO纳米材料的物理化学性质

1．4．3 ZnO纳米材料的制备方法

1．4．4 ZnO纳米材料的应用

1．5 量子点敏化太阳能电池的研究进展

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组成及工作原理

1．5．3 量子点敏化太阳能电池光电阳极的研究

1．5．4 量子点敏化太阳能电池对电极的研究

1．5．5 量子点敏化太阳能电池电解质的研究

1．5．6 提高量子点敏化太阳能电池效率的方法

1．6 论文的主要研究内容

1．6．1 论文的主题思想和主要工作

1．6．2 论文的章节安排

1．7 课题来源

第二章 实验部分

2．1 试剂和仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 样品的合成

2．2．1 ZnO纳米棒的制备

2．2．2 ZnO／CdS光电阳极的制备

2．2．3 ZnO／CdSe@CdS光电阳极的制备

2．2．5 TiO2纳米管的制备

2．2．6 TiO2／ZnO／CdS光电阳极的制备

2．2．7 TiO2／PbS对电极的制备

2．3 太阳能电池三电极系统的组装

2．4 样品表征及测试分析

2．4．1 晶体结构表征

2．4．2 形貌及晶格分析

2．4．5 光学性能分析

2．4．6 比表面积分析

2．4．7 太阳能电池光电性能测试

第三章 CdS量子点的可控合成及其敏化ZnO纳米棒光电阳极的光电应用

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 CdS量子点的结构分析

3．2．2 CdS量子点的形貌分析

3．2．3 CdS量子点的光谱分析

3．2．4 CdS量子点的合成时间对其光学性能的影响

3．2．5 ZnO纳米棒的形貌分析

3．2．6 ZnO／CdS光电阳极组装的太阳能电池的光电化学性能机理说明

3．2．7 CdS量子点敏化ZnO纳米棒的结构分析

3．2．8 CdS量子点敏化ZnO纳米棒的形貌及组成分析

3．2．9 ZnO／CdS光电阳极组装的太阳能电池的光电性能分析

3．3 本章小结

第四章 CdSe@CdS核壳量子点的一步合成及其敏化ZnO纳米棒的光电应用

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 CdSe@CdS核壳量子点的结构及元素组成分析

4．2．2 CdSe@CdS核壳量子点的形貌分析

4．2．3 CdSe@CdS核壳量子点的光学性能分析

4．2．4 ZnO／CdSe@CdS太阳能电池的机理说明

4．2．5 ZnO／CdSe@CdS纳米棒的结构分析

4．2．6 ZnO／CdSe@CdS纳米棒的形貌及组成分析

4．2．7 ZnO／CdSe@CdS光电阳极组装的太阳能电池的光电性能分析

4．3 本章小结

第五章 ZnO／ZnS／CdS光电阳极中ZnS钝化层对太阳能电池光电性能的影响

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 ZnO／ZnS／CdS纳米棒光电阳极的能带排布说明

5．2．2 ZnO／ZnS／CdS纳米棒的结构分析

5．2．3 ZnO／ZnS／CdS纳米棒的形貌及元素分析

5．2．4 ZnO／ZnS／CdS纳米棒的高分辨透射电镜图分析

5．2．5 ZnO／ZnS纳米棒的比表面积分析

5．2．6 ZnO／ZnS／CdS纳米棒的光学性能分析

5．2．7 ZnO／ZnS／CdS光电阳极组装的太阳能电池的光电性能分析

5．3 本章小结

第六章 TiO2／ZnO纳米复合材料的合成及TiO2／ZnO／CdS的光电应用

6．1 引言

6．2 结果与讨论

6．2．2 TiO2／ZnO纳米复合材料的形貌分析

6．2．3 TiO2／ZnO纳米复合材料光电阳极的能带排布机理说明

6．2．4 TiO2／ZnO纳米复合材料的光学性能分析

6．2．5 TiO2／ZnO光电阳极组装的太阳能电池的光电性能分析

6．2．6 TiO2／ZnO／CdS纳米复合材料的光学性能分析

6．2．7 TiO2／ZnO／CdS光电阳极组装的太阳能电池的光电性能分析

6．3 本章小结

第七章 TiO2／PbS对电极对ZnO／CdS光电阳极组装的太阳能电池光电性能的影响

7．1 引言

7．2 结果与讨论

7．2．2 TiO2／PbS纳米管的形貌分析

7．2．3 TiO2／PbS对电极组装的太阳能电池的机理说明

7．2．4 TiO2／PbS对电极组装的太阳能电池的光电性能分析

7．3 本章小结

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士期间取得的学术成果