CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池的制备及性能研究

摘要

为了解决日益严重的能源危机和环境污染问题，太阳能电池的开发日新月异，而新型量子点敏化太阳能电池作为第三代太阳能电池已经成为材料研究的热点。其中CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池逐渐成为国内外学者的研究重点之一。为了制备更为高效的CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池，本文首先从CuInS2量子点和TiO2的制备及生长机理入手，研究并优化其性能，提高其在太阳能电池中的应用效率，然后探索及开发新型CuInS2量子点的敏化及共敏化工艺、各种维度的TiO2纳米光阳极、钝化层及后处理和对电极对太阳能电池结构和性能的影响，并分析其影响机制，最终获得更为高效的太阳能电池，主要研究结论及成果具体如下：
　　1．采用钛酸定向二步水热法合成高效锐钛矿相TiO2纳米颗粒及纳米带；采用多步水热法合成一维金红石相TiO2纳米棒阵列，研究不同水热反应时间和次数对产物形貌结构的影响，并在此基础上进一步合成三维金红石相TiO2纳米枝晶，并用“成核—生长—外延生长”的过程阐述TiO2纳米棒/纳米枝晶的生长机理；采用高温水热反应合成一维锐钛矿相TiO2纳米线阵列，并用“成核—溶解—再结晶—共边”的过程阐述TiO2纳米线阵列的生长机理；采用阳极氧化法制备适合太阳能电池光阳极的高度有序的TiO2纳米管阵列薄膜。
　　2．分别运用多步热分解法、一步热分解法、溶剂热法和水相热处理合成法合成各种尺寸的CuInS2量子点，并研究有机耦合剂种类、有机耦合剂浓度、反应温度、反应时间和热处理时间等因素对产物形貌结构及光学性能的影响，并用快速成核生长、奥斯特瓦尔德熟化和团聚反应等模式阐述不同尺寸CuInS2量子点的生长机理，通过有机耦合剂转换等方式将CuInS2量子点应用到太阳能电池的制备中，分析最适用于量子点敏化的CuInS2量子点的合成方法。另外还发展一种连续离子层吸附法合成CuInS2量子点，研究循环次数对CuInS2量子点尺寸及光学性能的影响，并用“成核—生长”过程探讨CuInS2量子点的生长机理，能极大地提高太阳能电池的光电性能。
　　3．以合成的各种CuInS2量子点为基础制备CuInS2量子点敏化TiO2纳米颗粒太阳能电池，分别分析不同的量子点尺寸和不同的有机耦合次数对太阳能电池性能的影响，探索有机耦合法制备的太阳能电池的工艺与性能之间的影响规律，经过三次有机耦合循环，以油胺耦合尺寸为3.5 nm的CuInS2量子点为基础材料制备太阳能电池的光电性能最终达到：开路电压487.7 mV，短路电流密度1.85 mA/cm2，填充因子0.67，光电转换效率0.59％。
　　4．开发新型的连续离子层吸附法成功制备CuInS2量子点敏化TiO2纳米光阳极，研究不同的反应溶液离子浓度、不同的沉积次数和缓冲层对太阳能电池性能的影响。研究表明在铜离子溶液中反应时间为30 s能够获得纯度较高、光电性能较好的光阳极，随着SILAR沉积次数的增加，TiO2纳米颗粒薄膜表面CuInS2量子点的含量增加，而SILAR沉积次数为6次制备的光阳极具有最佳的光吸收性能和光电转换效率；通过引入CuxS缓冲层能够有效地提高太阳能电池的光电转换效率，最终达到：开路电压585.4 mV，短路电流密度4.33 mA/cm2，填充因子0.371，光电转换效率0.94％。
　　5．联合有机耦合法和连续离子层吸附法的优势，共同制备CuInS2/CuInS2和CuInS2/Mn-CdS量子点共敏化TiO2纳米颗粒太阳能电池，分析不同的敏化工艺对光电性能的影响，进一步提高太阳能电池的光电转换效率，分别达到1.32％和3.51％。
　　6．分别探索ZnS和ZnSe两种不同的钝化层材料对CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池光电性能的影响。结果表明，ZnSe作为纯CuInS2基量子点敏化太阳能电池的钝化层、ZnS作为CuInS2/Mn-CdS基量子点敏化太阳能电池的钝化层能够获得最佳的光电转换效率。研究不同的热处理温度和热处理时间对太阳能电池光电性能的影响，结果表明，热处理温度为300℃和热处理时间为5 min制备的CuInS2/Mn-CdS基量子点敏化TiO2纳米颗粒太阳能电池可以获得最佳的光电转换效率4.22％。
　　7．分别以各种零维、一维和三维TiO2纳米材料作为光阳极组装太阳电池，通过结果对比可以发现，一维和三维TiO2纳米阵列薄膜都太阳能电池所产生的光电流密度都要大于TiO2纳米颗粒薄膜太阳能电池，最终TiO2纳米管阵列薄膜太阳能电池获得最佳的光电转换效率达到4.48％。
　　8．简单的化学法制备Cu2S纳米阵列薄膜，并分析了Cu2S纳米阵列薄膜的生长机制。分别以Cu2S纳米薄膜和Cu2S纳米阵列薄膜作为CuInS2基量子点敏化太阳能电池的对电极探索其对光电性能的影响，研究表明，反应时间4h制备的Cu2S纳米阵列薄膜作为对电极组装的TiO2纳米管阵列薄膜太阳能电池具有最佳的光电性能4.90％。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能电池的研究背景与进展

1.3 CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池的研究现状

1.4 论文选题的目的、意义

1.5 论文主要章节的研究内容

第2章 有机耦合法制备CuInS2量子点敏化太阳能电池的研究

2.1 引言

2.2 CuInS2量子点的制备、表征及性能研究

2.3 有机耦合法制备 CuInS2基量子点敏化太阳能电池的结构及性能研究

2.4 本章小结

第3章 连续离子层吸附法制备CuInS2量子点敏化及共敏化太阳能电池的研究

3.1 引言

3.2 连续离子层吸附法制备 CuInS2基量子点敏化太阳能电池的结构及性能研究

3.3 CuInS2/TiO2基量子点共敏化太阳能电池的研究

3.4 本章小结

第4章 钝化层和后处理对CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池的性能研究

4.1 引言

4.2 钝化层对 CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池的性能研究

4.3 热处理对 CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池的性能研究

4.4 本章小结

第5章 CuInS2量子点敏化TiO2纳米阵列太阳能电池的研究

5.1 引言

5.2 TiO2纳米阵列薄膜的制备、表征及生长机理

5.3 CuInS2量子点敏化 TiO2纳米阵列太阳能电池的结构及性能研究

5.4 CuInS2量子点敏化 TiO2纳米阵列太阳能电池的电子传输机理分析

5.5 本章小结

第6章 纳米阵列对电极对CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池的性能研究

6.1 引言

6.2 Cu2S对电极的制备、表征及生长机理

6.3 Cu2S对电极对CuInS2/TiO2基量子点敏化太阳能电池的性能研究

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附录1 博士学习期间已发表和待发表的学术论文

附录2 博士学习期间已获得的发明专利

附录3 博士学习期间参加的科研项目

附录4 博士学习期间参加的学术会议

致谢