ZnO/Cu2O敏化太阳能电池的制备及其光电化学性能研究

摘要

纳米晶敏化太阳能电池(DSSC)是高效率、低成本太阳能电池的一个重要发展方向。氧化锌(ZnO)纳米柱阵列作为光阳极可以有效地降低电子传输的晶界势垒和传输损耗，提高电荷传输能力，是最有潜力的光阳极材料之一。ZnO禁带宽度较大，只能吸收紫外波段的光。为了拓宽光谱吸收范围，通常需要与窄带隙半导体进行复合。氧化亚铜(Cu2O)与硫化镉(CdS)具有禁带宽度窄、价格低廉、储量丰富、稳定性好等优点，是优良的半导体敏化剂材料。它们在敏化电池中具有很大的应用前景。本文主要研究内容及结果如下：
　　1.首先在FTO(F:SnO2)衬底上旋涂ZnO薄膜作为晶种，再用水热法生长ZnO纳米柱阵列。研究了晶种层退火温度(260℃，360℃，460℃)、晶种层的旋涂次数以及溶液浓度对纳米柱阵列的影响。结果表明：随着晶种层退火温度升高，阵列密度降低，这主要是由于晶种互相作用使得部分晶粒聚结长大，造成成核点减少；随着晶种层旋涂次数的增加，晶种层越厚，使成核点增多，阵列密度增加；随着溶液浓度的降低，阵列直径变小，均匀性变差。
　　2.以上述方法制备的ZnO纳米柱阵列为衬底，采用化学水浴法沉积Cu2O纳米晶，得到 ZnO/Cu2O复合膜，研究了复合膜的微观结构与光电性能。然后以ZnO/Cu2O复合膜为光阳极、铂(Pt)为对电极组装成敏化太阳能电池，并研究了晶种层旋涂次数与晶种层退火温度对其光电化学性能的影响。结果表明：所制备的Cu2O为多晶四方结构；复合膜光谱响应范围扩展到可见光区且具有整流效应；晶种层越厚，晶种层退火温度越高，电池光电转化效率越高。因为随着旋涂次数的增加，阵列密度也增大，因此能吸附更多的Cu2O纳米晶，提高光的捕获效率；提高退火温度可以改善 ZnO的结晶度，降低载流子复合损失。最后，在旋涂三次并460℃逐层退火的ZnO晶种上生长ZnO/Cu2O复合光阳极并组装成敏化电池，它的开路电压达到0.27 V，短路电流达到1.25 mA/cm2。
　　3.在ZnO与 Cu2O之间插入采用超声化学水浴法沉积的CdS量子点，得到ZnO/CdS/Cu2O复合膜，并以复合膜为光阳极、Pt为对电极组装成敏化太阳能电池，研究了不同 CdS沉积时间(1min，3min，5min，7min)对其光电化学性能的影响。结果发现：随着 CdS沉积时间的增加，电池的短路电流增加，在沉积5分钟时获得了6.7 mA/cm2的最大短路电流和0.31％的最高光电转化效率。当沉积时间进一步增加时，短路电流开始下降，这可能是由于 CdS的电子注入效率降低造成的。

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第一章 绪论

1.1 太阳能电池概述

1.2纳米晶敏化太阳能电池简介

1.3 ZnO/Cu2O太阳能电池的研究现状

1.4 敏化太阳能电池的参数表征

1.5 本论文的选题依据与主要内容

第二章 ZnO纳米柱阵列的水热法制备与表征

2.1 引言

2.2 ZnO纳米柱阵列的水热法制备

2.3 溶液的浓度对ZnO纳米柱阵列的影响

2.4 晶种层对ZnO纳米柱阵列的影响

2.5 小结

第三章 ZnO/Cu2O敏化太阳能电池的制备与表征

3.1 引言

3.2 ZnO/Cu2O敏化太阳能电池的制备

3.3 Cu2O纳米晶薄膜的表征

3.4 ZnO/Cu2O复合光阳极的表征

3.5 本章小结

第四章 CdS量子点对ZnO/Cu2O敏化太阳能电池性能的影响

4.1 引言

4.2 ZnO/CdS/Cu2O敏化太阳能电池的制备

4.3 CdS敏化ZnO阵列光阳极的微观结构

4.4 ZnO/CdS/Cu2O复合光阳极敏化电池的表征

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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