量子点敏化太阳能电池结构调控及光伏性能研究

摘要

由于兼具高理论能量转换效率和低生产成本，作为第三代太阳能电池，量子点敏化太阳能电池已受到太阳能业界的广泛关注。然而，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有较大差距。
　　本文以电池的结构和原理为基础，考虑量子点敏化电极的制备方法，量子点的能级调控，光阳极的材料性能对太阳能电池性能的影响，采用正交结构的 TiO2纳米粒子对ZnO纳米棒阵列进行修饰；采用原位还原法在TiO2/ZnO纳米棒阵列光阳极引入等离激元Ag纳米颗粒；设计了一步连续离子层交互吸附与反应法制备能带可调的Cd-Zn-Se-S量子点敏化电极，系统研究了电池的性能。主要的研究内容分为以下三个方面：
　　首先，为了减少氧化锌（ZnO）阵列表面的缺陷以降低电荷复合，利用 H3BO3和(NH4)2TiF6溶液合成了正交结构的二氧化钛（TiO2）纳米粒子并用其对ZnO纳米棒包覆，形成了复合纳米结构。该结构利用了纳米颗粒提供的大比表面积以及纳米棒优良的电子传输特性，以获得良好的电荷传输和光捕获能力。由于TiO2修饰后的ZnO纳米棒阵列的表面复合中心（羟基）较少，因此 ZnO纳米棒表面上发生的电荷俘获减少，从而降低了电荷复合，延长了电子寿命。最终，TiO2修饰后太阳能电池的能量转换效率（PCE）达到4.80％，比未修饰电池的PCE（2.7%）提高78%。
　　其次，为了提高光阳极的光俘获能力，在TiO2/ZnO纳米棒阵列（NAs）引入Ag纳米粒子（NPs）构建量子点敏化太阳能电池（QDSC）。银纳米粒子的引入不仅增加了光俘获效率，促进激子解离，而且还降低了表面电荷复合，延长电子寿命，这些都有助于提高CdS/CdSe量子点(QDs)共敏化太阳能电池的短路电流密度(Jsc)。银纳米粒子与TiO2纳米粒子直接接触使得费米能级朝着负电位上移，从而增加了电池的开路电压（Voc）。因此，Ag NPs修饰的TiO2/ZnO NAS的PCE达到5.92%，比未修饰电池PCE（4.8%）提高了22%；
　　最后，为了简化量子点沉积步骤，利用简易一步 SILAR法在 TiO2多孔膜上沉积Cd-Zn-Se-S QDs制备光阳极。通过优化Cd2+/Zn2+和Se2-/S2-的比例，得到最优比，即：Cd2+/Zn2+=Se2-/S2-=0.3。通过TEM和XPS表征得出Cd-Zn-Se-S QDs由CdS、CdSe、ZnS、ZnSe这四种物质组成。UV-Vis测试表明循环次数的增加可提高光阳极的光吸收能力，有利于提高Jsc；EIS测试表明随着循环次数的增加，ZnSe和ZnS转变为CdSe和CdS，电荷复合增加，降低了Voc。当循环次数达到10时，Cd-Zn-Se-S QDs敏化的太阳能电池的PCE达到最大为5.62%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2量子点敏化太阳能电池简介

1.3局域表面等离基元在太阳能电池中的应用

1.4量子点敏化氧化物薄膜技术研究进展

1.5本学位论文研究内容

第二章 实验原料，设备及表征手段

2.1实验原料

2.2实验设备

2.3实验部分

2.4表征手段

第三章 ZnO/TiO2纳米棒阵列光阳极的制备及其光伏性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 银纳米粒子修饰TiO2/ZnO纳米棒阵列光阳极的制备及其光伏性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 一步法制备Cd-Zn-Se-S量子点及其在QDSCs的应用研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1全文结论

6.2展望

参考文献

作者简介

致谢

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