薄膜太阳能电池中CdS/CdSe量子点敏化剂的掺杂研究

摘要

量子点敏化太阳能电池(QDSCs)是染料敏化太阳能电池(DSCs)的重要发展方向。由于量子点具有带隙可调、制备简单、消光系数高等优点，特别是可以产生多激子效应，使得量子点电池的理论效率高达44％，近年来受到人们的广泛关注。但是，QDSCs电池光电转换效率目前还远低于传统DSCs电池。从QDSCs的工作机理可以看出，量子点中电子与空穴能否有效分离是影响其光电转换效率的最主要原因。 本论文围绕如何优化量子点敏化太阳能电池内部的电荷传输路径，基于CdS/CdSe共敏化体系，设计了薄膜太阳能电池中量子点敏化剂的掺杂实验，主要包括以下三个方面: (1)采用SILAR方法制备CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池。当CdS沉积次数为8，CdSe沉积次数为4时，电池的电流密度达到8.86 mA/cm2，开路电压达到0.48 V，填充因子为0.34，电池的效率达到1.43％。在量子点的表面沉积ZnS钝化层后，电池的电流密度显著增加，达到10.59 mA/cm2，电压维持不变，但填充因子下降很多，导致整体的电池效率只有1.30％。 (2)基于CdS/CdSe共敏化的实验，进行了单独对CdS或CdSe掺杂金属阳离子的实验，制备了Mn掺杂CdS/CdSe、La掺杂CdS/CdSe、CdS/Mg掺杂CdSe、CdS/Co掺杂CdSe量子点敏化太阳能电池。其中，采用SILAR方法，对CdS进行La掺杂、对CdSe进行Mg掺杂和Co掺杂，并分别做成La掺杂CdS/CdSe、CdS/Mg掺杂CdSe、CdS/Co掺杂CdSe量子点敏化太阳能电池，之前在文献中未出现这种报道。对量子点敏化剂掺杂后，电池的短路电流和开路电压均得到提高，尤其是电流密度增加显著。通过一系列表征测试得出，对CdS或CdSe掺杂金属阳离子后，量子点的导带提高了，有利于电池内部电荷的传输，减少了电子空穴的复合，提高光阳极对光的捕捉能力，从而提高光电流，进一步提升光电转换效率。 (3)基于单独对一种量子点敏化剂（CdS或CdSe）掺杂的设计思路，本论文又首次进行了同时对两种量子点敏化剂掺杂（Mn掺杂CdS和Co掺杂CdSe）的实验研究。发现同时对CdS进行Mn掺杂、对CdSe进行Co掺杂后，光阳极的光吸收范围、强度均比单独进行Mn掺杂CdS或Co掺杂CdSe以及未掺杂光阳极的效果好。对应电池的IPCE、以及电池效率也更高。说明同时进行Mn掺杂CdS、Co掺杂CdSe后，电池内部的电荷传输更加高效，电子空穴的复合进一步减小，最终提高了电池的性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 染料敏化太阳能电池(DSCs)简介

1．3 量子点敏化太阳能电池(QDSCs)简介

1．3．1 半导体量子点的特性

1．3．2 量子点敏化太阳能电池的量子点种类

1．3．3 量子点敏化太阳能电池的结构及工作原理

1．3．4 量子点敏化太阳能电池现阶段的问题

1．4 掺杂量子点敏化太阳能电池

1．4．1 掺杂量子点敏化太阳能电池的发展现状

1．4．2 掺杂量子点敏化太阳能电池的意义和问题

1．5 本论文的设计思想和主要研究内容

第2章 实验方法

2．1 实验药品

2．2 实验仪器

2．3 量子点敏化太阳能电池的实验流程

2．4 量子点敏化太阳能电池光阳极材料的表征

2．4．1 扫描电子显微镜

2．4．2 X射线能量分散谱仪

2．4．3 透射电子显微镜

2．4．4 X射线衍射仪

2．4．5 紫外可见吸收光谱仪

2．4．6 电感耦合等离子体发射光谱仪

2．5 量子点敏化太阳能电池的性能测试

2．5．1 量子点敏化太阳能电池电流-电压性能测试

2．5．2 入射单色光子-电子转化效率

2．5．3 电化学交流阻抗测试

2．6 本章小结

第3章 CdS／CdSe量子点敏化太阳能电池的性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 不同CdSe沉积次数对CdS／CdSe量子点敏化太阳能电池性能的影响

3．3．2 CdS／CdSe量子点敏化太阳能电池光阳极的材料表征

3．3．3 CdS／CdSe量子点敏化太阳能电池的性能分析

3．4 本章小结

第4章 CdS或CdSe掺杂对CdS／CdSe量子点敏化太阳能电池性能影响的研究

4．1 引言

4．2 Mn掺杂CdS／CdSe量子点敏化太阳能电池的性能研究

4．2．1 实验部分

4．2．2 实验结果与讨论

4．3 La掺杂CdS／CdSe量子点敏化太阳能电池的性能研究

4．3．1 实验部分

4．3．2 实验结果与讨论

4．4 CdS／Co掺杂CdSe量子点敏化太阳能电池的性能研究

4．4．1 实验部分

4．4．2 实验结果与讨论

4．5 CdS／Mg掺杂CdSe量子点敏化太阳能电池的性能研究

4．5．1 实验部分

4．5．2 实验结果与讨论

4．6 本章小结

第5章 CdS和CdSe同时掺杂对CdS／CdSe量子点敏化太阳能电池的性能研究

5．1 引言

5．2 Mn掺杂CdS、Co掺杂CdSe对CdS／CdSe QDSCs性能的影响

5．2．1 实验部分

5．2．2 实验结果与讨论

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 存在的问题及下一步工作方向

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果

致谢