量子点敏化太阳能电池结构调控与性能优化

【摘要】：将太阳能直接转化为电能对解决能源危机和环境问题具有十分重大的意义。 由于兼具高的理论能量转换效率和低的生产成本,作为第三代太阳能电池,量子点敏化太阳能电池已受到太阳能业界的广泛关注。然而,迄今为止,量子点敏化太阳能电池的光电转换效率与传统太阳能电池的相比仍然相差较远。 本文从电池的结构和原理出发,考虑量子点敏化电极的制备方法、量子点的能级调控,光阳极的材料性能,对电极的材料性能及电池的制备工艺对太阳能电池性能的影响,设计了共沉积法制备的CdPbS量子点敏化电极,能带可调的CdSexS(1-x)量子点敏化电极,并将氮掺杂微孔二氧化钛纳米球用做光阳极材料,将无机有机复合物TiO2-聚3,4-乙撑二氧噻吩用做对电极材料制备了量子点敏化太阳能电池,并对电池的性能进行了研究。 首先,通过共沉积敏化制备了CdPbS/TiO2量子点敏化电极,我们考察了Pb/Cd的比例,电解质的组成,沉积敏化的次数,TiO2的厚度对太阳能电池的光电性能的影响,并确定了电池制备的优化条件,同时与PbS和CdS单一敏化和PbS/CdS依次共敏化的电池进行了比较,该共沉积敏化的电池性能由于控制了Pb/Cd的比例,提高了光吸收而得到了明显的提升。 其次,通过连续离子层吸附与反应技术(SILAR)制备了能带可调的CdSexS(1-X)量子点敏化电极,结果表明,CdSexS(1-X)量子点的能带和光吸收可以通过Se/S的比例调节,与常规的CdS/CdSe敏化体系相比,该电极的光吸收谱和入射单色光子-电子转化效率谱显示了更强的光捕获能力和更宽的光响应范围,因此,在AM 1.5,100mW·cm-2的光照条件下,CdSexS(1-x)量子点敏化太阳能电池取得了2.27%的效率,在该电极外层进一步吸附CdSe量子点后,由于增强了光吸收及降低了电荷复合,该CdSexS(1-x)/CdSe量子点敏化太阳能电池获得了3.17%的效率,该能带通过原子比例可调的量子点可用于高效的量子点敏化太阳能电池中。 再次,考察了基于水热法制备的氮掺杂微孔二氧化钛纳米球的量子点敏化太阳能电池的性能,结果表明,基于该氮掺杂微孔二氧化钛纳米球的CdSexS(1-x)/CdSe量子点敏化太阳能电池的效率为3.67%,高于无氮掺杂微孔二氧化钛纳米球电池的效率(2.14%)。电化学阻抗谱表明氮掺杂二氧化钛纳米球电极的电荷复合得到抑制。量子点敏化太阳能电池性能的提升可归因于氮掺杂引起的减小的电荷复合,加快的电子传输速率,更高的量子点的吸附量和增强的光散射等多方面因素。该氮掺杂微孔二氧化钛纳米球可用于高效的量子点敏化太阳能电池中。 最后,制备了TiO2-聚3,4-乙撑二氧噻吩无机有机复合多孔膜并用做CdS量子点敏化太阳能电池的对阳极,电池的效率(1.56%)比用Pt电极(0.87%),纯聚3,4-乙撑二氧噻吩电极(1.35%)的要高。同时,该电极由于TiO2的存在增强了在导电基底的支撑性能,该复合多孔膜不容易脱落。由于聚合出更均匀,孔径合适的聚噻吩,其电荷传输电阻变小,比表面增大而催化性能得到了提高,说明该材料适合做量子点敏化电池的对电极材料。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 CdPbS CdSe_xS_(1-x) 氮掺杂 聚合物
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-34
• 1.1 研究背景11
• 1.2 太阳能电池的分类11-13
• 1.3 量子点敏化太阳能电池的结构,原理和优势13-20
• 1.4 量子点敏化太阳能电池的发展现状20-32
• 1.5 本文的研究目的,研究内容和创新点32-34
• 2. 实验原料,设备和表征手段34-41
• 2.1 实验原料34
• 2.2 实验设备34-35
• 2.3 表征手段35-41
• 3 连续化学浴共沉积制备CdPdS量子点共敏化太阳能电池41-55
• 3.1 前言41-42
• 3.2 实验部分42-45
• 3.3 结果与讨论45-54
• 3.4 结论54-55
• 4 能带可调的CdSe_xS_(1-x)量子点敏化太阳能电池55-69
• 4.1 前言55-56
• 4.2 实验部分56-58
• 4.3 结果与讨论58-68
• 4.4 结论68-69
• 5 N掺杂二氧化钛微球在量子点敏化太阳能电池的应用69-79
• 5.1 前言69-70
• 5.2 实验部分70-71
• 5.3 结果与讨论71-78
• 5.4. 结论78-79
• 6. TiO_2-聚合物对电极在量子点敏化太阳能电池中的应用79-88
• 6.1 前言79-80
• 6.2 实验部分80-81
• 6.3 结果与讨论81-87
• 6.4 结论87-88
• 7 结论和展望88-91
• 7.1 本文主要结论88-89
• 7.2 主要创新点89-90
• 7.3 展望90-91
• 致谢91-92
• 参考文献92-107
• 论文及专利107-108
• 一 发表论文107
• 二 专利107-108

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