Ⅱ-Ⅵ族水相量子点光伏器件的敏化机理与技术研究

摘要

量子点敏化太阳能电池由于光谱响应范围可调，消光系数高，理论光电转换效率高等优点成为太阳能电池的重要研究方向之一。但是迄今为止，量子点敏化太阳能电池的光电转换效率与传统太阳能电池的相比仍然相差较远。本论文针对这一现状，从水相量子点着手对于量子点敏化太阳能电池作了研究，通过增强量子点在光阳极上的吸附，量子点组成和对电极的改善来提高电池性能。
　　本文首先针对量子点直接吸附率较低的问题，开展了对于水相量子点在TiO2电极上的吸附机理的研究。在已有调节pH值吸附基础上，提出了强碱环境下调控水相量子点量子点吸附的方法。文中将水相制备的巯基丙酸为配体的CdTe量子点应用于敏化电池，通过添加大量NaOH到量子点溶液来提高水相CdTe量子点的吸附并同时改善其表面修饰。对于添加的强电解质NaOH来说，我们分拆为阳离子和阴离子不同作用。其中Na+通过抗衡离子效应调控量子点和TiO2之间的静电斥力从而提高化学吸附几率。OH-则控制量子点表面巯基配体的端基效应维持量子点在吸附过程中的表面修饰。同时，过量的量子点水溶液中过量的OH-也能通过形成Cd(OH)2方式提高量子点的稳定性和光吸收。对比通常低pH值下吸附组装的CdTe敏化电池性能参数，强碱环境下吸附组装的CdTe敏化电池的光电转化效率有接近40％的提升，其在一个标准太阳光下光电转换效率超过2％。
　　同时，针对铂电极催化多硫电解液时中毒的问题，本文提出了采用金属硒化物作为背电极催化材料的方法。首先，在文章第三章中，我们提出了Cu2-xSe背电极的简易制作方法。通过盐酸腐蚀黄铜合金后可以获得粗糙多孔的铜片。利用其与NaHSe的NaOH溶液反应，可以得到催化多硫电解液的Cu2-xSe背电极。针对这一制备Cu2-xSe背电极方法，我们主要从盐酸浓度，反应时间以及温度等优化了相关过程参数并获得了催化电阻为0.85Ω/cm2左右的Cu2-xSe背电极。将其利用在CdSeS合金量子点敏化电池中，能获得光电转换效率为3.7％的太阳电池。
　　在亚铜硒化物能较好催化多硫电解液的前提下，为了提高CuxSe背电极和敏化电池的工作稳定性以及组装电池需要，我们提出了从红色活性硒角度一步法制备多孔CuxSe背电极的途径。该方法可以完全省去真空等严苛条件实现亚铜硒化物制备。并且红色硒模板也提供了具有理想厚度、高比表面积的结构。在优化相关条件下，我们获得的硒化铜背电极其催化电阻为0.79Ω/cm2。并且，在能组装成敏化电池后，在一个标准光的连续照射下，一个小时内电池的光电流输出的稳定性变化值小于5％。
　　在具体结合第二，四章工作后，本文从水相CdTe量子点转向了水相合金量子点CdSexTe1-x的研究。通过调整Se∶Te的比例以及优化量子点的生长相关参数，获得光学性能较好的CdSexTe1-x量子点。并通过组装电池以及电化学测试等手段，比较了在不同Se∶Te比例下电池的性能变化。当采用x=0.4的合金量子点为光敏化剂时，电池的光电转换效率可达2.47％，较相同条件制备的水相CdSe和CdTe敏化电池分别有90％和70％的转换效率提升。在此工作的基础上，利用不同的量子点制备路线，可以进一步完善CdSexTe1-x敏化剂的表面修饰。还可实现对于该敏化电池填充因子的进一步提升，从56％提升到72％。尽管出现了略微的电流下降趋势，水相CdSexTe1-x敏化电池在一个标准太阳光下的光电转化效率可以突破3％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池的分类

1．2．1 硅基太阳能电池

1．2．2 化合物薄膜太阳能电池

1．2．3 聚合物／有机太阳能电池

1．2．4 光化学敏化太阳能电池

1．3 量子点敏化太阳能电池

1．3．1 量子点敏化太阳能电池的独特物理效应

1．3．2 量子点敏化太阳能电池的组成

1．3．3 量子点敏化太阳能电池的工作原理

1．3．4 量子点敏化太阳能电池的研究现状

1．4 太阳能电池性能测试

1．4．1 测试条件

1．4．2 太阳能电池参数

1．5 本论文研究思路及主要内容

第二章 强碱环境下量子点吸附特性研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 巯基丙酸稳定的CdTe量子点的制备

2．2．3 CdTe量子点敏化电极的制备

2．2．4 对电极的制备和电解质溶液的配制

2．2．5 CdTe量子点敏化的太阳能电池的组装

2．3 结果与讨论

2．3．1 强碱环境吸附CdTe量子点

2．3．2 TiO2电极的表征

2．3．3 强碱环境对于CdTe量子点及TiO2影响

2．4 本章小结

第三章 基于铜片基底的硒化铜背电极的制备方法研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 NaHSe以及多硫化钠溶液的配置

3．2．3 二氧化钛光阳极的制作

3．2．4 仪器及表征

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 基于红色活性硒的CuxSe背电极的制备

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 制备红色活性硒

4．2．3 制备CuxSe背电极

4．2．4 制备CdSeS量子点敏化光阳极

4．2．5 电池各组分的制备方法

4．2．6 背电极以及太阳电池的表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 红硒与背电极的表征

4．3．2 电池性能分析

4．3．3 背电极的电化学分析

4．4 本章小结

第五章 合金CdSexTe1-x量子点敏化电池制备

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 NaHSeTe溶液配置

5．2．2 CdSexTe1-x量子点制备

5．2．3 静态吸附制备光阳极以及电池组装测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 CdSexTe1-x量子点生长条件研究

5．3．2 不同x值CdSexTe1-x量子点溶液的吸收谱

5．3．3 电化学阻抗分析

5．3．4 优化CdSexTe1-x量子点电池的表面配体修饰

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢