基于多孔TiO_2光阳极的量子点敏化太阳能电池

【摘要】：量子点敏化太阳能电池是第三代太阳能电池中具有前景的器件之一,由于量子点敏化太阳能电池具备如下独特的优点:带隙可调,较高的吸光系数,溶液可加工性。多激子效应可使量子点敏化太阳能电池的理论效率超过Shockley-Queiseer极限为31%。本文工作围绕量子点敏化太阳能电池的核心部件之一,量子点敏化的多孔TiO_2光阳极展开研究。通过它和Cu2S对电极、多硫电解液组成电池,讨论了其对最终电池的光电性能的影响。本文用连续离子吸附反应(SILAR)法基于三种阳离子前驱体(Cd(NO3)2、CdCl2和Cd(Ac)2)制备了CdS量子点敏化太阳能电池。高效的Cd(Ac)2前驱体制备的光阳极具有较宽的光谱响应范围,较高的光子-电子响应效率,较高的量子点负载量,电化学阻抗分析表明具有较高的电子注入率。最终,在相同的实验参数下,基于Cd(Ac)2的CdS量子点敏化太阳能电池的光电转换效率为2.10%。我们将这种阳离子前体效应进一步地应用到PbS/CdS量子点敏化太阳能电池中,发现基于乙酸盐前体的PbS/CdS量子点共敏化电池光电流密度为19.24 mA/cm2,转换效率为3.23%。在SILAR中,阳离子前体效应是改善量子点敏化太阳能电池性能的一种有效途径。本文用SILAR技术,制备了有机/无机共钝化的PbS/C5H5N/CdS/ZnS量子点敏化太阳能电池,该电池的光谱响应范围覆盖了整个可见光区并延伸到近红外区。相比于只有无机钝化的PbS/CdS/ZnS量子点敏化太阳能电池,PbS/C5H5N/CdS/ZnS量子点敏化太阳能电池具有较高的电子注入率,同时具有较高的量子点负载量。基于上述优点PbS/C5H5N/CdS/ZnS量子点敏化太阳能电池的光电流密度为21.25 mA/cm2,取得了3.65%的光电转换效率,同时PbS/C5H5N/CdS/ZnS量子点敏化太阳能电池展现了良好的光电流稳定性。本文采用SILAR和化学浴(CBD)相结合的原位技术制备了CdS/CdSe量子点敏化太阳能点电池,讨论了pH值对量子点敏化电池性能的影响,在pH=10时,CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的光-电响应范围可达～700 nm,量子点在整个TiO_2光阳极具有均匀的分布,同时具有较高的电子注入率,最终,CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池取得了3.93%的光电转换效率,并且具有优异的光伏参数:Jsc=11.46 mA/cm2,Voc=0.577 V,FF=0.595。基于上述分析我们可以得出:光子捕获范围,电子注入率,光敏化量子点的负载量对量子点敏化太阳能电池的光电性能具有重要的影响。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 光电转换效率 光电流稳定性 电子注入率 量子点负载量
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 引言10-11
• 1.2 量子点的定义及其基本性质11-13
• 1.2.1 量子点的定义11
• 1.2.2 量子效应11-13
• 1.3 量子点敏化太阳能电池13-25
• 1.3.1 光伏电池的发展历程13-14
• 1.3.2 量子点敏化太阳能电池的独特优势14-17
• 1.3.3 量子点太阳能电池的种类17-18
• 1.3.4 量子点敏化太阳能电池的结构和原理18-20
• 1.3.5 量子点敏化太阳能电池的电流-电压（Jsc-Voc）性能评价20-22
• 1.3.6 量子点敏化太阳能电池的入射单色光子-电子响应22-23
• 1.3.7 量子点敏化太阳能电池的光阳极23-24
• 1.3.8 量子点的沉积方法24-25
• 1.4 量子点敏化太阳能电池当前存在的问题25-26
• 1.5 本课题的研究思路及研究内容26-28
• 第二章 SILAR中阳离子前体对CdS和PbS/CdS量子点敏化太阳能电池性能的影响28-56
• 2.1 引言28-30
• 2.2 实验部分30-36
• 2.2.1 实验材料30-31
• 2.2.2 实验仪器31
• 2.2.3 TiO_2多孔薄膜电极的制备31-32
• 2.2.4 Cu_2S对电极的制备32
• 2.2.5 CdS量子点敏化光阳极的制备32-33
• 2.2.6 CdS/PbS量子点共敏化的光阳极制备33
• 2.2.7 多硫电解液的配制和量子点敏化太阳能电池的组装33-34
• 2.2.8 扫描电子显微镜表征34
• 2.2.9 能量散射X-ray光谱表征34
• 2.2.10 透射电子显微镜表征34
• 2.2.11 UV-Vis表征34
• 2.2.12 短路电流-开路电压（J-V）测试34
• 2.2.13 入射单色光子-电子响应测试34-35
• 2.2.14 时间-电流测试35
• 2.2.15 电化学阻抗测试35-36
• 2.3 结果和讨论36-55
• 2.3.1 阳离子前体对光谱响应的影响36-38
• 2.3.2 阳离子前体对CdS量子点敏化太阳能电池J-V性能的影响38-42
• 2.3.3 混合溶剂对CdS电池的光电性能的影响42-44
• 2.3.4 入射单色光子-电子响应分析44-45
• 2.3.5 电化学阻抗分析45-46
• 2.3.6 光电流稳定性能评价46-47
• 2.3.7 CdS敏化光阳极的物性分析47-52
• 2.3.8 阳离子前体对PbS/CdS量子点共敏化太阳能电池性能的影响52-55
• 2.4 本章小结55-56
• 第三章 有机/无机配体钝化的PbS量子点敏化太阳能电池56-80
• 3.1 引言56-58
• 3.2 实验部分58-63
• 3.2.1 实验材料58-59
• 3.2.2 实验仪器59
• 3.2.3 TiO_2多孔光阳极的制备59
• 3.2.4 量子点敏化光阳极的制备59-60
• 3.2.5 Cu_2S对电极的制备60
• 3.2.6 量子点敏化太阳能电池的组装60
• 3.2.7 扫描电子显微镜表征60
• 3.2.8 能量散射X-ray光谱表征60-61
• 3.2.9 紫外-可见-红外光谱表征61
• 3.2.10 电池的J-V性能测试61
• 3.2.11 电化学阻抗测试61
• 3.2.12 开路电压衰减测试61
• 3.2.13 时间-电流测试61-62
• 3.2.14 入射单色光子-电子响应测试62-63
• 3.3 结果与讨论63-79
• 3.3.1 Cu_2S对电极的形貌结构63-64
• 3.3.2 PbS量子点电池的光电性能64-66
• 3.3.3 PbS量子点电池的光电流稳定性66-68
• 3.3.4 PbS/CdS/ZnS量子点敏化太阳能电池的优化68-69
• 3.3.5 钝化的PbS量子点敏化光阳极的光学吸收69-70
• 3.3.6 钝化PbS量子点敏化太阳能电池的光伏性能70-71
• 3.3.7 入射单色光子-电子响应分析71-73
• 3.3.8 光电流稳定性能评价73-74
• 3.3.9 量子点的负载和分布分析74-75
• 3.3.10 电化学阻抗分析75-76
• 3.3.11 开路电压衰减分析76-79
• 3.4 本章小结79-80
• 第四章 原位法制备高效的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池80-99
• 4.1 引言80-82
• 4.2 实验部分82-87
• 4.2.1 实验材料82-83
• 4.2.2 实验仪器83
• 4.2.3 TiO_2多孔光阳极薄膜的制备83-84
• 4.2.4 CdS/CdSe量子点共敏化的TiO_2光阳极薄膜的制备84-85
• 4.2.5 Cu_2S对电极的制备85
• 4.2.6 TiO_2/CdS/CdSe量子点敏化太阳能能电池的组装85
• 4.2.7 量子点敏化光阳极的光学吸收测试85
• 4.2.8 量子点敏化光阳极的扫描电镜表征85
• 4.2.9 TiO_2/CdS/CdSe的光阳极的能量散射X-ray光谱表征85
• 4.2.10 电池的J-V性能测试85-87
• 4.3 结果与讨论87-98
• 4.3.1 光学吸收87-88
• 4.3.2 Cu_2S对电极的形貌分析88-89
• 4.3.3 pH对CdS/CdSe量子点敏化电池的J-V性能的影响89-91
• 4.3.4 量子点敏化的光阳极的TEM分析91-92
• 4.3.5 CdS/CdSe量子点敏化的TiO_2光阳极的SEM表征92-93
• 4.3.6 CdS/CdSe量子点敏化的TiO_2光阳极的元素分布分析93-94
• 4.3.7 CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的入射单色光子-电子转换效率分析94-96
• 4.3.8 CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的J-V滞后性96-98
• 4.4 本章小结98-99
• 第五章 全文总结99-102
• 参考文献102-113
• 致谢113-114
• 攻读博士学位期间发表论文情况114-116

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