氧化锌纳米材料的制备及在量子点敏化太阳能电池的应用

论文摘要

21世纪人类面对的最大挑战就是能源危机，发展低成本、高效率的太阳能电池是解决能源危机有效方法之一。纳米材料的发展和半导体纳米晶作为光的吸收体为下一代太阳能电池的发展提供了新的机遇。高取向的纳米线、棒、管阵列等新形貌的光阳极材料应用到染料敏化太阳能电池中，可以改善电子的传输，减少电子、空穴的复合。半导体纳米晶（量子点）能够利用热电子得到大于1的量子产率，可以利用量子尺寸效应改变其吸收光谱和改善电子的传输，使太阳能电池的效率突破传统理论极限。ZnO是一种宽带隙半导体材料，电子在ZnO中有更快的迁移速度，ZnO形貌更容易调控。因此我们提出基于ZnO纳米材料的量子点敏化太阳能电池（quantumdots-sensitized solar cells, QDSSC）研究。本文利用电化学方法和水热法制备了多种形貌氧化锌材料，并将一部分材料应用到QDSSC之中。在电化学沉积过程过采用Zn（NO3）2·6H2O和KCl作为电解质。探究了反应温度、硝酸锌浓度及氯化钾浓度对电沉积氧化锌的影响，得到了片状的Zn5（OH）8Cl2·H2O的先驱体，经过热处理后得到了一种多孔ZnO片状薄膜，在透射电子显微镜下观察到这种化合物在电子束诱导下的化学变化。同时用电化学法制备了一种ZnO棒状多级结构材料，在透射电子显微镜视场中观察到其原位变化。制备了一种树枝状ZnO多级结构纳米材料，这两种形貌材料在国内外均未见报道。将ZnO多孔片状薄膜用于CdS量子点敏化的太阳能电池，研究了量子点敏化剂、不同电解液、CBD次数对电池性能影响，采用铂、金作为对电极分别获得了最高0.37%和0.33%的转换效率。采用电化学和水热法结合制备了一种ZnO纳米线-纳米片多级结构材料，发现用水热法处理ZnO多孔片状薄膜能够将QDSSC的效率从0.183%提升到0.3%。在水热法制备ZnO纳米材料过程中，在溶液PH=10时探究了溶液浓度对产物形貌的影响，分别制备了ZnO棒状、花状、管状材料。将在三种不同浓度下得到的棒状、花状ZnO薄膜用于QDSSC分别获得了0.177%、0.275%、0.346%的光电转换效率。

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ABSTRACT

第1章绪论

1.1 前言

1.2 太阳能电池发展概况

1.2.1 硅太阳能电池

1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池

1.2.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池

1.2.4 纳米晶太阳能电池

1.3 量子点电池：半导体纳米晶作为光的吸收体

1.3.1 纳米结构材料为太阳能电池的发展提供了新的机遇

1.3.2 用半导体量子点提高传统太阳能电池效率

1.3.3 量子点敏化太阳能电池发展概况

1.4 氧化锌纳米材料及其制备方法

1.5 本论文的主要工作

第2章实验方法

2.1 氧化锌光阳极材料制备方法

2.1.1 直流电化学沉积法制备 ZnO 光阳极材料

2.1.2 水热法制备 ZnO 光阳极材料

2.2 实验用品

2.2.1 实验中所使用的主要仪器设备和工具

2.2.2 实验中使用的主要药品

2.3 氧化锌纳米光阳极材料的分析、表征与测试

2.3.1 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy; SEM）

2.3.2 X 射线能量分散谱仪（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; EDS）

2.3.3 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy; TEM）

2.3.4 选区电子衍射（Selected area electron diffraction; SAED）

2.3.5 X 射线衍射（X-ray diffraction; XRD）

2.3.6 紫外-可见吸收光谱（UV-vis absorption）

2.4 QDSSC 制作工艺流程及测试方法

第3章电化学方法制备氧化锌微/纳米结构材料

3.1 引言

3.2 实验条件对电沉积氧化锌的影响

3.2.1 实验过程

3.2.2 温度对实验结果的影响

3.2.3 硝酸锌浓度对实验结果的影响

3.2.4 氯化钾浓度对实验结果的影响

5（OH）₈Cl₂·H₂O 纳米片在高能电子束诱导下的化学变化'>3.2.5 Zn₅（OH）₈Cl₂·H₂O 纳米片在高能电子束诱导下的化学变化

3.2.6 氧化锌多孔片状结构

3.3 氧化锌棒状多级结构

3.3.1 实验过程

3.3.2 实验结果与讨论

3.3.3 氧化锌纳米柱在高能电子束照射下的原位生长

3.4 树枝状氧化锌

3.4.1 实验过程

3.4.2 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章氧化锌多孔纳米片及纳米多级结构材料在 QDSSC 中的应用

4.1 引言

4.2 表征 QDSSC 的参数

4.3 氧化锌多孔片状薄膜在 QDSSC 中的应用

4.3.1 QDSSC 制作及测试过程

4.3.2 结果及讨论

4.4 氧化锌纳米片-纳米线多级结构材料

4.5 水热法处理氧化锌多孔片状薄膜提高 QDSSC 效率

4.5.1 实验过程

4.5.2 结果及讨论

4.6 本章小结

第5章水热法制备氧化锌微/纳米材料及在 QDSSC 中的应用

5.1 引言

5.2 溶液浓度对水热法制备的氧化锌纳米结构材料的影响

5.2.1 实验过程

5.2.2 结果与讨论

5.3 氧化锌纳米管状结构

5.4 水热法制备氧化锌在 QDSSC 中的应用

5.4.1 实验过程

5.4.2 结果及讨论

5.5 本章小结

第6章结论

6.1 结论

6.2 存在问题及进一步工作

参考文献

个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢

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