连接剂辅助SILAR法CdS量子点敏化TiO2纳米棒太阳能电池

摘要

作为第三代太阳能电池，量子点敏化太阳能电池（QDSSC）不仅具有理论光电转换效率高、生产成本低、环境友好、制备工艺简单等优点，还具有可调节吸收能带和多激子效应等特有属性，一度被科学界广泛关注。虽然如此，QDSSC至今未能达到人们预期的效果，其中如何在二氧化钛（TiO2）纳米晶薄膜上均匀有序地沉积量子点（QD）颗粒是一项重要的挑战。通过调研并结合他人研究成果发现，采用有机的短链配位体（Ligand）与传统的连续离子层吸附反应法（SILAR）相结合，有望实现量子点在TiO2纳米晶薄膜上的均匀有序分布。
　　本文从材料和工艺的角度出发，考虑材料能级匹配、本身缺陷及合成工艺对QDSSC性能的影响，设计了巯基乙酸（TGA）配位体与 SILAR量子点制备工艺相结合的方法，采用连接剂辅助连续离子层吸附反应法（连接剂辅助 SILAR），制备出均匀沉积且性能提高显著的硫化镉（CdS）量子点敏化 TiO2太阳能电池光阳极。主要从TiO2纳米棒（NRs）和纳米颗粒（NPs）制备、连接剂辅助 SILAR法量子点制备和CdS量子点敏化TiO2纳米晶光阳极三个方面进行了研究。
　　(1)采用水热法在 FTO导电玻璃基底上直接生长一层 TiO2纳米棒薄膜，同时采用丝网印刷法制备 TiO2纳米颗粒薄膜。通过研究钛酸四正丁酯（TBOT）的用量等工艺参数对 TiO2纳米棒薄膜形貌的影响，探究 TiO2纳米棒在基底上的生长规律；通过对不同工艺所得纳米棒 QDSSC光阳极进行 FSEM、XRD、UV-vis和光电性能测试，确定最优TBOT用量为1.5 mL。
　　(2)采用连接剂辅助SILAR制备均匀有序的CdS量子点。传统的SILAR工艺操作简单、成本低、效率高，但不能均匀有序地在 TiO2纳米晶表面生长 CdS量子点；通过有机短链 TGA配位体对传统的SILAR法进行改进，研究 TGA对 CdS-TiO2异质结结构形貌的影响；通过改变连接剂辅助SILAR循环周期，探究周期参数对不同结构 TiO2纳米晶薄膜光阳极性能的影响并得出在11周期左右时性能达到最佳；并对不同工艺制得的QDSSC光阳极进行表征，研究工艺改进对电池性能的影响。
　　(3)研究 CdS量子点敏化 TiO2纳米晶光阳极 QDSSC光电性能。将不同结构的TiO2纳米晶薄膜光阳极组装成电池，通过对电池 UV–vis、I-V性能、开路电压稳定性、电化学阻抗谱等性能的对比分析，探究纳米颗粒和纳米棒薄膜制备、量子点沉积、电解液制备和电池组装等过程参数对QDSSC光电性能的影响。经TGA交换处理后QDSSC可获得0.529 V开路电压、3.19 mA/cm2短路电流，光电转换效率提升6.8倍，且电池稳定性显著提高。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 QDSSC概论

1.3 QDSSC工作原理

1.4 QDSSC面临的主要问题

1.5 QDSSC配位体研究进展

1.6 选题意义及课题设计

第二章 试剂及仪器

2.1 试剂

2.2 仪器

第三章 TiO2纳米薄膜的制备及其光阳极应用

3.1 实验部分

3.2 结果与分析

3.3 本章小结

第四章 连接剂辅助SILAR法制备QDSSC光阳极

4.1 实验部分

4.2 结果与分析

4.3 本章小结

第五章 CdS敏化TiO2太阳能电池研究

5.1 实验部分

5.2 结果与分析

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录