Ⅱ-Ⅵ族量子点及光阳极形貌对量子点敏化太阳能电池性能的影响

摘要

世界性的能源危机和环境污染促进了太阳能电池产业的快速发展。尽管硅基太阳能电池以其优异的性能主导现在的光伏市场份额，但是因较高的发电成本，仍需要政府的额外补贴才能推广利用。再加之近年来的“双反”贸易制裁，我国传统太阳能电池行业生存日益艰难。充分利用纳米材料的新特性和纳米技术，寻找和发展新型的太阳能电池是解决现有太阳能电池性能和成本矛盾的一个可能途径。利用原料丰富，环境友好的无机氧化物半导体和量子点材料来构建廉价的新型太阳能电池，预期可以克服传统太阳能电池的高成本问题。
　　 本文以量子点敏化太阳能电池(QDSSC)为研究对象，以二氧化钛(TiO2)介孔薄膜和氧化锌(ZnO)纳米线阵列为光阳极，研究了三维多晶薄膜和一维单晶纳米线光阳极对电池光生电子传输性能的影响;以Ⅱ-Ⅵ族化合物量子点作为太阳能电池的吸光材料，探讨了不同化合物量子点敏化和多种量子点共敏化对QDSSC光吸收性能和电子注入性能的影响。主要研究内容和结果如下:
　　 1.利用丝网印刷法制备TiO2薄膜型光阳极。通过优化工艺参数获得了无分层、高透光性、厚度均匀可控的TiO2薄膜型光阳极。该部分结果是研究QDSSC的基础。
　　 2.利用水相法合成了巯基乙酸(TGA)包覆的CdTe和HgCdTe合金量子点，探索了其在敏化TiO2薄膜电池领域的初步应用。研究了Hg的掺杂对CdTe量子点光吸收性能和荧光性能的影响，阐明了Hg掺杂CdTe量子点的合成机理。所获得太阳能电池效率较低，主要原因是CdTe量子点在TiO2颗粒表面吸附较少，且巯基乙酸的包覆导致光生电子从CdTe量子点到TiO2颗粒的注入效率较低。
　　 3.利用逐层离子吸附反应法(SILAR)，实现了大量尺寸均匀的CdS/CdSe量子点在TiO2介孔薄膜表面的生长。实验表明，SILAR法的循环次数对光阳极光吸收性能及相应电池光电性能有重要影响。另外，电子在多晶TiO2介孔薄膜中的电子迁移率较低，选用具较高电子迁移率光阳极是提高其光电转换效率的重要途径之一。
　　 4.利用离子交换反应法制备了包角包覆的ZnO/CdS和ZnO/CdSxSe1-x芯/壳型纳米电缆，并组装成太阳能电池。实验表明，CdSe部分取代CdS扩宽了光阳极的光谱响应范围，提高了电池效率。但是，所采用碱性反应溶液的腐蚀作用和量子点吸光层中的缺陷，限制了电池性能的进一步的提高，需进一步深入研究。
　　 5.利用Al:ZnO(AZO)籽晶层克服了纳米电缆光阳极因腐蚀导致的脱落问题，并系统研究了ZnO/CdSxSe1-x快速退火对电池性能的影响。研究表明，200℃退火改善ZnO/CdS0.33Se0.67晶体质量，减少光阳极层中电子-空穴复合几率;300-400℃退火，可使量子点晶粒长大，扩宽光阳极光谱响应范围，减小界面电子传输电阻，增大开路电压，进而获得最高电池效率。500℃退火会导致CdS0.33Se0.67固溶体形成，使得量子点吸光层吸收边发生蓝移。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 肖特基结量子点太阳能电池

1．2 异质结量子点太阳能电池

1．3 极薄吸收层太阳能电池(ETA)

1．4 量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)

1．4．1 工作原理

1．4．2 量子点敏化宽禁带半导体金属氧化物

1．4．3 电子由量子点向宽禁带半导体金属氧化物的注入

1．4．4 量子点表面态和漏电流

1．4．5 电解液在量子点敏化太阳能电池的作用

1．4．6 对电极在量子点敏化太阳能电池中的作用

1．5 本论文的主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料与制备仪器

2．2 表征方法

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2 X射线衍射(XRD)

2．2．3 高分辨透射显微电镜(HRTEM)

2．2．4 紫外-可见吸收光谱(ABS)

2．2．5 光致荧光测试系统(PL)

2．2．6 太阳能电池测试系统

2．2．7 量子效率测试系统

2．2．8 电化学性能测试

2．2．9 拉曼散射谱(Raman)

第三章 TiO2薄膜型光阳极的制备

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 TiO2浆料的制备

3．2．2 丝网印刷法制备TiO2薄膜型光阳极

3．2．3 材料性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 TiO2致密阻挡层性能表征

3．3．2 乙醇处理和烧结制度对TiO2薄膜光阳极形貌的影响

3．3．3 烘干温度对TiO2薄膜的形貌和性能的影响

3．3．4 TiO2散射层对TiO2薄膜光阳极性能的影响

3．4 小结

第四章 巯基乙酸包覆的CdTe及CdHgTe敏化TiO2薄膜型光阳极太阳能电池

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 CdTe和CdHgTe量子点的合成

4．2．2 TGA-CdTe敏化TiO2介孔薄膜量子点太阳能电池的制备

4．2．3 材料表征与电池性能测试

4．3 结果与分析

4．4 小结

第五章 CdS／CdSe量子点共敏化介孔TiO2薄膜电池的制备与光伏性能

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 CdS／CdSe／TiO2光阳极的制备及其电池的组装

5．2．材料的表征与性能测试

5．3 结果与讨论

5．4 小结

第六章 ZnO／CdSxSe1-x芯壳结构纳米线QDSSC的制备与光伏性能

6．1 引言

6．2 实验步骤

6．2．1 ZnO纳米线的生长

6．2．2 CdS／ZnO和CdS1-xSex／ZnO芯壳结构的制备及太阳能电池的组装

6．2．3 材料的表征及性能测试

6．3 结果与讨论

6．4 小结

第七章 快速退火处理对基于Al：ZnO籽晶层的CdSxSe1-X敏化ZnO纳米线太阳能电池性能的影响

7．1 引言

7．2 实验

7．2．1 AZO籽晶层的制备

7．2．2 CdS／ZnO和CdSxSe1-x／ZnO芯壳结构纳米线的制备和太阳能电池组装

7．2．3 材料的表征与性能测试

7．3 结果与讨论

7．4 小结

第八章 全文总结和展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

附录