硒化镉纳米带/纳米线的可控合成及太阳电池应用

摘要

随着无机半导体纳米材料制备工艺的日益成熟,它们在基础研究和科技应用方面扮演着越来越重要的角色。硒化镉是II-IV族直接带隙半导体,室温下禁带宽度为1.74 eV,与可见光波段具有很好的匹配,在光探测器、太阳电池、发光二极管、场效应晶体管、场发射等方面具有广阔的应用前景。本论文基于新型硒化镉纳米材料的可控合成,并将其与碳纳米管或石墨烯结合,制备并研究了碳纳米管-硒化镉纳米带和石墨烯-硒化镉纳米带的肖特基结太阳电池,并且探索了新型平面及纤维太阳电池结构,研究了其性能。
　　采用化学气相沉积法,基于气-液-固生长机理,成功制备出硒化镉纳米线阵列和长度为毫米量级的单晶硒化镉纳米带。纳米材料的结构可以通过反应温度和载气类型等工艺参数控制。制备的硒化镉纳米材料光学性质优良,光吸收截止波长在710 nm,对可见光波段具有较好的吸收。在电学性质方面,硒化镉纳米带表现出n型半导体的性质,具有光响应。
　　通过碳纳米管或石墨烯薄膜覆盖在硒化镉纳米带的一端并形成良好的接触界面,制备了硒化镉纳米带-碳纳米管或石墨烯薄膜肖特基结太阳电池。太阳电池的工作机理是,光照时硒化镉纳米带吸收光子,产生受激电子-空穴对;通过硒化镉纳米带与碳纳米管或石墨烯薄膜构成的肖特基结,实现电子-空穴对的拆分;硒化镉纳米带传导并收集电子,碳纳米管或石墨烯薄膜传导并收集空穴,完成光电转换过程。在标准辐照条件下(AM1.5G,100 mW/cm2),单根硒化镉纳米带-碳纳米管薄膜微型太阳电池和单根硒化镉纳米带-石墨烯薄膜微型太阳电池的光电转换效率分别为0.7％和0.1%。作者系统研究了正极材料和电极间距对太阳电池性能的影响。通过控制硒化镉纳米带、碳纳米管薄膜和石墨烯薄膜的数量和位置构建了不同的电池结构,分析了其机理。这些电池结构的实现,说明该电池模型具有制备平面结构及串并联太阳电池的潜力。
　　分别使用碳纳米管薄膜和碳纳米管纺丝作为对电极与钛丝基底上的硒化镉纳米线阵列,制备了硒化镉纳米线阵列-碳纳米管薄膜或纺丝纤维太阳电池。在纤维电池中,生长有硒化镉纳米线阵列的钛丝作为主电极,硒化镉纳米线阵列作为吸光材料,与目前报道的染料敏化纤维太阳电池相比,不需要再进行染料的吸附,简化了制备工艺和电池结构。工作时,加入多硫电解液(2 M Na2S、2 M KOH、2 M S),形成光电化学太阳电池。电子-空穴对主要通过S2-与Sn2-在电解液中的反应实现快速拆分和传输。硒化镉纳米线阵列-碳纳米管薄膜和硒化镉纳米线阵列-碳纳米管纺丝纤维太阳电池在标准辐照条件下的光电转换效率分别为2.3%和2.9%,并且在大角度弯曲或旋转时稳定性良好。使用生长有硒化镉纳米线阵列的钛丝与单根和多根碳纳米管纺丝进行编织,即通过主电极和对电极的相互编织,得到了光电转换效率达到1%以上的纤维编织太阳电池,并系统研究了主要参数,如主电极长度和碳纳米管纺丝数量对编织太阳电池性能的影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 引言

1.1 概述

1.2 硒化镉纳米材料

1.3 碳纳米管和石墨烯

1.4 问题的提出及研究内容

第2章 实验方法

2.1 硒化镉纳米带的制备

2.2 硒化镉纳米线阵列的制备

2.3 碳纳米材料的制备及表征

2.4 太阳电池测试方法

2.5 主要表征仪器

2.6 本章小结

第3章 硒化镉纳米带-碳纳米管薄膜太阳电池

3.1 电池模型

3.2 电池的性能

3.3 电池的机理

3.4 电池的稳定性

3.5 本章小结

第4章 硒化镉纳米带-石墨烯薄膜太阳电池

4.1 电池模型

4.2 电池的性能

4.3 电极间距对电池性能的影响

4.4 不同电池结构的构建

4.5 本章小结

第5章 硒化镉纳米线阵列-碳纳米管薄膜纤维太阳电池

5.1 电池模型

5.2 基底纤维电池

5.3 独立纤维电池

5.4 入射单色光子-电子转化效率

5.5 电池的机理

5.6 本章小结

第6章 硒化镉纳米阵列-碳纳米管纺丝纤维太阳电池及编织电池

6.1 碳纳米管纺丝电极纤维电池

6.2 单根碳纳米管纺丝编织太阳电池

6.3 多根碳纳米管纺丝编织太阳电池

6.4 本章小结

第7章 结论

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文、参加会议及获奖情况

致谢