论文摘要
近年来,能源危机和环境问题日益严重,而太阳能是一种取之不尽,用之不竭的无污染能源,利用太阳能进行光电转换成为解决能源危机和环境污染的重要途径。钛酸纳米材料是一种新型的纳米材料,具有特殊的结构和性质,具有较高的光催化效应和特殊的可见光区吸收和光致发光现象,由于传统的TiO2只能吸收紫外光部分而影响其光电转换效率,因此钛酸纳米材料在光伏阳极材料方面有着广泛的应用前景。自Michael Gratzel提出染料敏化太阳能电池以来,有机染料一直是一个研究热点,然而其成本高、寿命短、性能不稳定。因此采用无机半导体量子点取代有机染料成为太阳能电池的全新研究方向。CuInS2是一种无毒、低成本、性能稳定的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ三元直接带隙无机半导体化合物,其吸收系数大,禁带宽度为1.5eV,接近太阳能电池的最佳禁带宽度。因此,采用CuInS2半导体量子点敏化太阳能电池具有更大的应用前景。为了获得高效光电转换效率的太阳能电池,本文提出采用CuInS2量子点敏化一维钛酸纳米带薄膜太阳能电池的思路。首先采用热碱水热法和丝网印刷法制备一维钛酸纳米带薄膜,然后采用自组装法在一维钛酸纳米带薄膜表面沉积CuInS2量子点,制备CuInS2量子点敏化一维钛酸带薄膜光阳极,组装成量子点敏化太阳能电池,并对其进行相应的表征和性能测试。主要研究内容和结论如下：1、采用热碱水热法和丝网印刷法合成一维钛酸纳米带薄膜,分析了丝网印刷制度和热处理温度对一维钛酸纳米带薄膜的组成成分、形貌结构和性能的影响。研究表明薄膜钛酸纳米带长度为1-3μm,宽度为100-200 nm,厚度为10nm并且截面为矩形；当丝网印刷次数为3次的时候,薄膜厚度为10μm,为太阳能电池光阳极最佳厚度,对应的紫外-可见光光吸收强度最强。通过确定其吸收边界增,由理论计算可知一维钛酸纳米带薄膜的禁带宽度为3.0eV；热处理温度为350℃形成钛酸纳米带薄膜物相较纯,而热处理温度为450℃锐钛矿相出现,改变薄膜晶体结构。2、采用二步法制备CuInS2量子点材料,对其组成成分、形貌微观结构和光学性能研究表明制备出的CuInS2量子点物相单一,其颗粒尺寸为19.3 nm,分散较好,排列比较均匀；从紫外-可见光光谱分析中可以看出控制合成工艺可以实现不同直径的CuInS2量子点的制备,从而能够实现在紫外和可见光全光谱范围内都具有较好的光吸收,3、以膦酸类表面活性剂MPA为有机耦合剂,采用一维钛酸纳米带薄膜作为光阳极,实现CuInS2半导体量子点敏化一维钛酸纳米带薄膜的制备。通过XRD图谱和SEM图像分析可知薄膜表面吸附了一层排列均匀的CuInS2量子点,颗粒尺寸为10-20 nm左右；研究表明随着敏化时间的增加薄膜表面CuInS2量子点的吸附量增加,薄膜的紫外-可见光光吸收逐渐增强,吸收边界逐渐红移,但敏化时间为7分钟的时候,紫外-可见光光吸收强度下降；随着敏化次数的增加,薄膜表面CuInS2量子点的吸附量增加,光吸收强度逐渐增强,吸收边界逐渐红移,当敏化次数达到14次的时候,CuInS2量子点几乎完全覆盖了一维钛酸纳米带,紫外-可见光光吸收强度下降。因此,可以确定CuInS2量子点的最佳敏化时间为5分钟,最佳敏化次数为12次。4、以CuInS2量子点敏化一维钛酸纳米带薄膜为光阳极组装太阳能电池,通过测试可知当敏化循环次数为10次时,CuInS2量子点敏化太阳能电池的填充因子为0.64,光电转换效率为1.058%。
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标签：一维钛酸纳米带薄膜论文; 量子点论文; 丝网印刷法论文; 有机耦合论文;