TiO2/CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池工作电极的晶体性能与电池光电性能关系的研究

摘要

由于量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)具有广泛的应用前景，因此引起了人们的广泛研究兴趣。而作为电池的核心部分，量子点敏化纳晶薄膜工作电极的结构对QDSSCs的光电转换效率具有决定性的影响。本论文以TiO2/CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池工作电极为基础，研究了工作电极中氧化物半导体与敏化量子点(QDs)、敏化量子点与钝化层间的晶型以及晶格匹配对QDSSCs的光电转换性能的影响。研究的主要内容如下: 1.通过连续离子层吸附与反应(SILAR)技术在CdS/CdSe QDs敏化TiO2薄膜和ZnS钝化层之间增加CdS晶格过渡层，形成CdS/ZnS双重后处理。EIS分析结果表明:CdS/ZnS双重后处理相比单一ZnS后处理，电子复合速率进一步降低，电子在薄膜中的传输速率更高，IMPS和IMVS分析结果表明，CdS/ZnS双重后处理提高了电子收集效率。基于CdS/ZnS双重后处理QDSSCs的光电转换效率达到了5.47％，相比于单一ZnS后处理的QDSSCs短路光电流增加了20％。 2.采用水热法以C12H28O4Ti为钛源制备了锐钛矿TiO2纳米颗粒，采用水解沉淀法以TiCl4为钛源制备了金红石TiO2纳米颗粒;采用XRD、SEM、BET对不同晶体TiO2进行了表征。进一步，将所制备的金红石和锐钛矿TiO2纳米颗粒应用到CdS/CdSe QDSSCs。电池性能测量表明，采用金红石TiO2组装的QDSSCs光电转换效率达到了3.71％，比锐钛矿TiO2更高(2.81％)。通过光散射、电化学阻抗、强度调制光电流（电压）等手段研究了电池的光学吸收及光激发动力学性能。结果表明，金红石TiO2比锐钛矿TiO2具有更高的光散射性能高，更多的QDs沉积及更高的光生电子空穴分离效率，因此具有更优良的电池性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 新型太阳能电池

1．2．1 染料敏化太阳能电池

1．2．2 量子点敏化太阳电池

1．2．3 有机太阳能电池

1．2．4 钙钛矿太阳能电池

1．3 量子点太阳能电池组成

1．3．1 敏化材料

1．3．2 TiO2／QDS／电解液多结点

1．3．3 电解液

1．3．4 对电极

1．4 量子点组装到多孔氧化物膜的方法

1．5 提高量子点敏化太阳能电池性能的方法

1．5．1 表面处理

1．5．2 利用多重激子效应

1．5．3 碳纳米-半导体纳米晶结构的QDSSCs

1．5．4 串联分层QDSSCs

第二章 表面处理对量子点敏化太阳能电池性能的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 清洗导电玻璃

2．2．3 刮涂法铺TiO2薄膜

2．2．4 CdS／CdSe QDs共敏化TiO2薄膜及后处理过程

2．2．5 QDSSCs电解液和对电极

2．2．6 工作电极的表征

2．2．7 QDSSCs的光电性能表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 CdSe／CdS／TiO2光阳极及后处理的SEM表征

2．3．2 CdSe／CdS／TiO2光阳极及后处理的XRD表征

2．3．3 CdSe／CdS／TiO2光阳极及后处理的TEM表征

2．3．4 CdSe／CdS／TiO2光阳极及后处理的紫外可见光吸收表征

2．3．5 QDSSCs的J-V曲线表征

2．3．6 QDSSCs的电流电压变化趋势

2．3．7 QDSSCs的阻抗表征

2．3．8 QDSSCs的IMPS IMVS表征

2．3．9 ZnS后处理和CdS／ZnS后处理影响QDSSCs性能的机理分析

2．3．10 ZnS后处理次数对QDSSCs的J-V曲线影响

2．4 本章小结

第三章 TiO2晶型结构对量子点敏化太阳能电池性能影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 水热法制备锐钛矿型TiO2纳米颗粒

3．2．3 TiCl4水解法制备金红石型TiO2纳米颗粒

3．2．4 清洗导电玻璃(FTO)

3．2．5 刮涂法铺TiO2薄膜

3．2．6 CdS／CdSe QDs共敏化TiO2薄膜及后处理过程

3．2．7 QDSSCs电解液和对电极制备

3．2．8 工作电极的表征

3．2．9 QDSSCs的光电性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同晶型TiO2纳米颗粒的XRD表征

3．3．2 不同晶型TiO2纳米颗粒的SEM表征

3．3．3 不同晶型TiO2纳米颗粒的TEM表征

3．3．4 不同晶型TiO2纳米颗粒及量子点敏化后的紫外可见吸收表征

3．3．5 量子点敏化不同晶型TiO2纳米颗粒的J-V曲线

3．3．6 量子点敏化不同晶型TiO2纳米颗粒的BET

3．3．7 量子点敏化不同晶型TiO2纳米颗粒的ICP-AES

3．3．8 TiO2纳米颗粒的光散射性能

3．3．9 量子点敏化不同晶型TiO2纳米颗粒的阻抗图谱

3．3．10 量子点敏化不同晶型TiO2纳米颗粒的IMPS和IMVS图谱

3．4 本章小结

第四章 其它修饰光阳极的方法对量子点敏化太阳能电池性能影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 清洗导电玻璃

4．2．3 刮涂法铺TiO2薄膜

4．2．4 CdS／CdSe QDs共敏化TiO2薄膜

4．2．5 对CdS／CdSe QDs敏化TiO2光阳极的处理

4．3 结果与讨论

4．3．1 ZnSe／ZnS双重后处理和CdS／ZnS双重后处理J-V曲线

4．3．2 Na2S和硫脲对QDSSCs性能影响的J-V曲线

4．3．3 氮气和氧气对QDSSCs性能影响的J-V曲线

4．3．4 对电极Cu2S对QDSSCs性能影响的J-V曲线

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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