金属等离激元调节半导体薄膜太阳电池的光电性能研究

摘要

半导体薄膜太阳电池由于加工及成本低廉受到人们的广泛关注并取得了较快的发展。但是目前半导体薄膜太阳电池效率还不够高。一种新颖而有效的方法是利用金属纳米粒子所产生的表面等离激元的散射或近场增强效应来增加太阳电池的光吸收，从而改善半导体薄膜太阳电池效率。本文就是基于这一理论，将金属等离激元用于提高半导体薄膜太阳电池光吸收，通过设计不同的薄膜阳极结构，并对其进行相关光电性能测试与表征，进而对薄膜结构进行优化，以获得性能最优的金属等离激元调节半导体薄膜太阳电池光阳极结构。主要研究内容及结果如下:
　　1.利用电化学方法在ITO导电玻璃表面沉积金纳米粒子，然后再沉积CdSe量子点，制得ITO/Au/CdSe复合多孔薄膜。一定尺寸、一定密度的金纳米粒子可作为光散射元素，将太阳光聚集并限制到CdSe吸收层内，增加了光吸收;并且当金纳米粒子之间距离合适时，可以激发局域表面等离激元共振效应，增加了邻近CdSe对光的吸收，进而产生更多的光生电子和空穴，提高光电流。另外，金纳米粒子利于电子传输，也进一步提高光电流。光电性能测试结果表明，当沉积时间为300s时，单层ITO/Au300/CdSe复合多孔阳极的光电流和光电压最大。在此基础上通过重复不同次数的制备过程构筑了多层的ITO/(Au/CdSe)n(n=1～5)复合薄膜，并对其进行表征及性能测试。结果表明当复合薄膜的层数为4时，所得复合薄膜的光电性能最优。这是因为一定厚度的吸收层能够吸收更多的太阳光从而提高其光电性能。但是如果吸收层太厚时，薄膜的多孔性降低。这阻碍了电解液的渗入，使电子的传输受阻。
　　2.采用电化学方法结合连续离子层吸附与反应法(SILAR)制备了CdS量子点敏化Au/TiO2复合多孔薄膜。探究了金纳米粒子在复合薄膜中位置对电池光电性能的影响，实验结果证明，复合薄膜结构FTO/Au/TiO2/CdS具有最佳的光电性能。这是因为底层的金纳米粒子由于光散射作用增加了光在薄膜中的有效传播路径，而且金纳米粒子与邻近TiO2之间的近场耦合效应有效增加了TiO2周围的有效吸收截面。再加上底层的金纳米粒子有利于CdS敏化TiO2复合薄膜中电子的传输，进一步提高薄膜电池的光电性能。在此基础上通过调整CdS的厚度测试样品性能，获得具有最优光电性能的CdS的最适宜厚度为循环沉积7次CdS。这主要是因为CdS厚度适当增加时，光吸收增加，产生的电子空穴增多，光电流增加。但是，当CdS厚度太大时，不利于电解液的注入而导致光电流和光电压降低。
　　3.采用水热法制备了一维TiO2纳米棒阵列，探究了盐酸的浓度对TiO2纳米棒形貌的影响，得出当盐酸浓度为7.0mol/L时，得到的TiO2纳米棒排列规整、疏密度适中。在此基础上通过电化学方法沉积金纳米粒子，然后再沉积CdSe量子点制备成FTO/TiO2(NR)/Au/CdSe复合薄膜。以不含金纳米粒子的FTO/TiO2(NR)/CdSe复合薄膜作为对比，测试不同薄膜的光电性能。结果显示，在CdSe量子点敏化TiO2复合薄膜中加入金纳米粒子，不仅增强了CdSe量子点敏化TiO2复合薄膜的光吸收，而且大大提高了其光电性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 太阳电池的发展及分类

1．2．1 硅太阳电池

1．2．2 化合物薄膜太阳电池

1．2．3 有机太阳电池

1．2．4 光敏化太阳电池

1．3 量子点敏化太阳电池的工作原理、发展现状及存在的问题

1．3．1 量子点敏化太阳电池的工作原理

1．3．2 量子点敏化太阳电池的发展现状

1．3．3 量子点敏化太阳电池存在的问题

1．4 金属等离激元简介

1．4．1 金属表面等离子体理论

1．4．2 表面等离激元增强光吸收的三种模式

1．4．3 金属等离激元用于太阳电池的研究进展

1．5 本文的研究目的和主要研究内容

参考文献

第二章 样品制备、测试方法及相关设备

2．1 引言

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验设备

2．2 太阳电池的制备方法

2．2．1 ITO／Au薄膜的制备

2．2．2 单层ITO／Au／CdSe及多层ITO／(Au／CdSe)n复合薄膜的制备

2．2．3 FTO／TiO2纳米粒子薄膜的制备

2．2．4 FTO／TiO2纳米棒阵列的制备

2．2．5 CdS量子点的沉积

2．3 实验设备

2．3．1 物相分析

2．3．2 微观形貌及组成分析

2．3．3 紫外-可见吸收分析

2．3．4 拉曼光谱分析

2．3．5 光电化学性能分析

第三章 金纳米粒子调节CdSe多孔薄膜太阳电池的光电性能研究

3．1 引言

3．2 单层ITO／Au／CdSe复合多孔薄膜的制备及其光电性能研究

3．2．1 金纳米粒子薄膜的沉积

3．2．2 单层ITO／Au／CdSe复合多孔薄膜的制备

3．2．3 单层ITO／Au／CdSe复合多孔薄膜的微观结构表征及分析

3．2．4 单层ITO／Au／CdSe复合多孔薄膜的光电性能

3．3 多层ITO／(Au／CdSe)n复合多孔薄膜的制备及其光电性能研究

3．3．1 多层ITO／(Au／CdSe)n复合多孔薄膜的制备

3．3．2 多层ITO／(Au／CdSe)n复合多孔薄膜的微观结构表征及分析

3．3．3 多层ITO／(Au／CdSe)n复合多孔薄膜的光电性能

3．4 本章小结

参考文献

第四章 金纳米粒子调节CdS量子点敏化TiO2薄膜的光电性能研究

4．1 引言

4．2 金纳米粒子调节CdS量子点敏化TiO2薄膜的制备及性能表征

4．2．1 金纳米粒子调节CdS量子点敏化TiO2薄膜的制备

4．2．2 金纳米粒子调节CdS量子点敏化TiO2薄膜的微观结构表征

4．2．3 金纳米粒子调节CdS量子点敏化TiO2薄膜的光电性能

4．3 不同厚度CdS对复合薄膜光电性能的影响

4．3．1 不同厚度CdS量子点敏化Au／TiO2复合多孔薄膜的制备

4．3．2 不同厚度CdS量子点敏化Au／TiO2复合多孔薄膜的微观结构表征

4．3．3 不同厚度CdS量子点敏化Au／TiO2复合多孔薄膜的光电性能

4．4 本章小结

参考文献

第五章 金纳米粒子调节CdSe量子点敏化TiO2薄膜的光电性能研究

5．1 引言

5．2 水热条件对TiO2纳米棒形貌的影响

5．3 金纳米粒子调节CdSe量子点敏化TiO2薄膜的制备及性能研究

5．3．1 金纳米粒子调节CdSe量子点敏化TiO2薄膜的制备

5．3．2 金纳米粒子调节CdSe量子点敏化TiO2薄膜的微观结构表征

5．3．3 金纳米粒子调节CdSe量子点敏化TiO2薄膜的光电性能

5．4 本章小结

参考文献

第六章 结论

致谢

攻读学位期间的主要研究结果