CdS/CdSe纳米晶敏化ZnO多孔纳米片阵列太阳能电池：制备及其光电转换性能研究

论文摘要

半导体量子点纳米晶由于量子尺寸效应、量子限域效应、碰撞离子化效应、迷你能带效应等一系列低维量子特性而具有独特的光学、电学性能。在敏化电池领域,与传统的有机染料敏化剂相比,半导体量子点纳米晶具有光量子产率高、能带可调、热载流子寿命长以及热稳定性好等一系列优势。这使得以半导体量子点作为光敏化剂的量子点敏化电池有望突破单一能隙的吸收材料太阳能电池的理论转化极限。作为一种有希望替代传统多孔纳米晶Ti02工作电极的氧化物半导体材料,ZnO纳米结构由于其形貌调控的灵活性以及较高的电子迁移率已经在敏化电池领域得到了广泛的应用研究,并表现出不俗的光电转换性能。特别是构筑直接与导电基底连接的ZnO纳米阵列理论上为光电子的转移提供了直接的高速通道,减少了光电子的复合过程。本论文主要致力于在FTO导电基底上合成具有高比表面积的多孔ZnO纳米片阵列结构,在其上沉积CdS（硫化镉）、CdSe（硒化镉）量子点纳米晶后制备出量子点敏化工作电极。通过封装组装出完整的量子点敏化电池器件,并对电池的光电转换性能进行了研究。具体内容归纳如下：1、运用水热合成方法结合高温退火过程制备多孔ZnO纳米片阵列。利用溶液中的水热反应制备出了生长在FTO基底上的碱式碳酸锌纳米片阵列结构,经空气中的高温退火后使得原本平整的碱式碳酸锌纳米片失去H2O和CO2分子转变为多孔ZnO纳米片,从而得到了多孔ZnO纳米片阵列。2、运用SILAR方法和CBD方法在纳米片上沉积CdS、CdSe量子点纳米晶。运用简便的连续离子层吸附反应沉积（SILAR）方法在ZnO多孔纳米片上沉积了CdS量子点,制备了CdS/ZnO敏化结构；利用化学浴沉积（CBD）方法在纳米片上沉积了CdSe量子点,制备了CdSe/ZnO敏化结构；结合两种方法则制备出CdSe/CdS/ZnO共敏化结构。3、封装电池,并测试和研究各种敏化结构的光电转换性能。采用I-V曲线测试、IPCE测试等手段,表征了三种敏化电极结构的光电转换性能,并利用量子点之间接触时产生的能带重排效应解释了共敏化结构优异的光电转换性能的机理。4、探讨了限制电池整体性能的主要因素。通过不同工作电极、电解液的对比发现本实验中影响电池效率的主要因素在于S2-/Sn2-多硫电解液的性能。结合I-V曲线和交流阻抗谱,发现多硫电解液与工作电极FTO接触所带来的较小的并联电阻是主要的影响因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光伏效应与太阳能电池
• 1.2.1 太阳能电池的基本原理
• 1.2.2 太阳能电池的分类
• 1.3 半导体量子点纳米晶敏化太阳能电池
• 1.3.1 敏化电池概述
• 1.3.2 染料敏化电池DSSC基本工作原理
• 1.3.3 ZnO纳米晶在敏化电池中的应用
• 1.3.4 半导体量子点纳米晶在敏化电池中的应用
• 1.4 本论文的选题背景和研究内容
• 参考文献
• 第二章 CdS、CdSe敏化ZnO多孔纳米片结构的制备与表征
• 2.1 ZnO多孔纳米片阵列的液相合成
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 实验部分
• 2.1.3 实验结果与讨论
• 2.2 CdS、CdSe纳米晶在ZnO纳米片阵列上的沉积
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 实验部分
• 2.2.3 实验结果与讨论
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 太阳能电池的组装及光电性能研究
• 3.1 电解液、对电极
• 3.1.1 电解液
• 3.1.2 对电极
• 3.2 电池的封装
• 3.3 电池性能测试
• 3.3.1 电流-电压输出特性（I-V曲线）测试和分析
• 3.3.2 量子效率（IPCE）测试和分析
• 3.3.3 能带排布结构分析
• 3.3.4 开路电压及填充因子分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 结论
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表