CdS量子点敏化ZnO/TiO2核壳纳米柱阵列光阳极的制备及表征

摘要

半导体量子点具有量子尺寸效应和激子倍增效应，能大大增强对太阳光的利用率。基于半导体量子点的量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)理论转化效率可达66％，是传统太阳能电池的两倍，引起了人们的广泛关注。ZnO纳米柱阵列具有迁移率高、比表面积大、易制备等优点被认为是理想的QDSSCs光阳极结构。本文制备了CdS量子点敏化ZnO纳米柱阵列光阳极，并研究了CdS层厚度以及ZnO纳米柱表面钝化处理对光阳极光电化学性能的影响，主要研究内容和结果概括如下：
　　(1)采用简易的水热法在FTO(掺F的SnO2)透明导电玻璃上制备了整齐排列的ZnO纳米柱阵列，并通过连续离子层吸附反应(SILAR)法在 ZnO上原位沉积CdS量子点制备ZnO/CdS光阳极，研究了SILAR前驱体浓度和循环次数对光阳极入射单色光光电转化效率(IPCE)的影响。结果表明，CdS拓宽了对可见光区的吸收，增强了对太阳光的利用率，同时，CdS与 ZnO构成Ⅱ型异质结增加了电子注入量子效率(ηinj)，IPCE显著增加。在0.05 M前驱体浓度下，随着循环次数的增加，IPCE呈现先上升后下降的趋势，且在10次循环下取得最佳值。这主要是由于：10次循环前，随着循环次数的增加，ZnO/CdS异质结界面增多，增加了电子和空穴的有效分离，并且 CdS量子点增多，增强了对可见光的光捕获效率(LHE)，IPCE逐渐上升；10次循环后，随着循环次数的进一步增加，CdS量子点层逐渐变厚，增加了光生载流子被缺陷捕获的几率，ηinj和电子收集效率(ηcc)开始大幅减小，IPCE逐渐下降。
　　(2)采用磁控溅射法在ZnO纳米柱表面先沉积一层Ti，后经热氧化处理制备了 ZnO/TiO2核壳纳米柱阵列结构，并通过 SILAR法沉积 CdS量子点制备了ZnO/TiO2/CdS光阳极，研究了TiO2壳层对光阳极光电化学性能的影响。结果表明，TiO2能有效地钝化 ZnO纳米柱的表面缺陷，提高了光阳极的光电流密度、IPCE和电子寿命。这主要是由于：a、TiO2壳层减小了 ZnO纳米柱的表面缺陷态，降低了光生载流子被捕获的几率，提高了ηcc；b、TiO2与 ZnO边界处形成一层能量势垒层，减小了注入光生电子的回流，增加了ηcc；c、TiO2壳层增加了纳米柱的粗糙度，使其能吸附更多的CdS量子点，增强了对可见光的吸收，提高了LHE。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 传统太阳能电池简介

1.3 量子点太阳能电池的优势及研究现状

1.4 量子点敏化太阳能电池简介

1.5 本论文的选题依据和主要研究内容

第2章 量子点敏化太阳能电池光阳极的制备方法、流程及表征方法

2.1 实验原料与仪器

2.2 制备方法及流程

2.3 表征方法

第3章 CdS量子点敏化ZnO纳米柱阵列光阳极的制备及表征

3.1 引言

3.2 ZnO纳米柱阵列的表征

3.3 CdS层厚度对CdS量子点敏化ZnO纳米柱阵列性能的影响

3.4 本章小结

第4章 CdS量子点敏化ZnO/TiO2核壳纳米柱阵列光阳极的制备及表征

4.1 引言

4.2 ZnO/TiO2核壳纳米柱阵列的制备及表征

4.3 TiO2 层厚度对 CdS 量子点敏化 ZnO/TiO2 核壳纳米柱阵列

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的论文发表情况