一维壳核式复合半导体杂化敏化太阳能电池的研究

【摘要】：窄禁带无机半导体纳米晶以其优异的光吸收性能及化学稳定性成为太阳能电池中替代传统染料的新一代光敏剂,结合了无机半导体材料高载流子传输能力与有机半导体材料高吸光系数的有机无机杂化光阳极结构,为进一步提高太阳的光电转换效率提供新思路。本文结合上述半导体敏化和有机/无机杂化两种思想,综合考虑有机、无机材料的吸光性能及其两者之间的能级匹配、界面性质、光生载流子在材料中的传输速率,采用全程电化学方法,选择一维ZnO纳米棒及纳米管阵列为光生电子的快速传输通道,以不同的n-型窄禁带无机半导体纳米晶为敏化剂,以p-型聚合物半导体P3HT为空穴传输材料,制备了一种新型的三组分一维壳核式纳米阵列结构,并以此纳米结构为光阳极设计组装新型的复合半导体p-n杂化共敏化太阳能电池,系统研究了电池材料的制备过程及其光电性能,探索制备过程中的各项影响因素,讨论该类电池转换效率和电极结构的关系,探讨该类电池的工作原理,为太阳能电池的发展提供了一种新思路。具体的研究工作及内容如下： 1.采用恒电位沉积方法,以PEG-400及EDA为新型添加剂,以Zn(NO3)2水溶液为沉积液,在ITO导电玻璃上制备了高度有序的ZnO纳米棒阵列,详细讨论了PEG-400含量及EDA含量对ZnO种子层、ZnO纳米棒阵列形貌及其光电性能的影响。 2.以一维ZnO纳米棒阵列为模板,在EDA溶液(pH≈13)中通过电化学腐蚀方法成功得到ZnO纳米管阵列膜,研究了电化学腐蚀条件对所得纳米管阵列形貌的影响；对比了一维ZnO纳米棒与纳米管阵列膜电极的光电性能。 3.采用电化学方法,在ZnO纳米棒及纳米管阵列中电沉积CdS纳米晶敏化壳层,成功制备了一维壳核式CdS/ZnO纳米棒及纳米管有序阵列。通过对CdS纳米晶的沉积机理的讨论,利用循环伏安法确定了其沉积电位；讨论了CdS沉积时间对一维壳核式CdS/ZnO纳米棒及纳米管阵列形貌、光吸收性能及光电转换性能的影响；对比了基于一维壳核式CdS/ZnO纳米棒及纳米管阵列的半导体敏化太阳能电池的光伏性能,讨论了CdS/ZnO壳核式纳米管结构中的双壳层敏化的优势。 4.采用电化学沉积的方法制备了一维壳核式P3HT/CdS/ZnO纳米阵列结构,并以此为光阳极设计组装了新型的三组分复合半导体p-n杂化敏化纳米结构太阳能电池。通过对电极光电性能及电池光伏性能的研究探讨了这种新型太阳能电池的工作原理,通过对电池性能的优化获得了1.28%的电池效率。 5.为了进一步改善新型电池的光伏性能,选择CdSxSe1-x、 CdSe/CdS、CdSe三种不同的窄禁带无机半导体敏化剂替代光阳极结构中的光敏层CdS组装电池并进行系统研究,结果表明,CdSxSe1-x混合敏化结构对一维ZnO纳米管阵列敏化效果最佳,以CdSxSe1-x混合敏化结构替代CdS纳米晶壳层与P3HT共同修饰一维ZnO纳米管阵列,组装新的复合半导体杂化敏化太阳能电池,获得了1.37%的转换效率,完成了对新型电池性能的初步改进。 【关键词】：一维ZnO纳米阵列 窄禁带无机半导体 聚三己基噻吩 壳核式结构 杂化敏化 太阳能电池
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O611.2;TM914.4
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-20
• 第一章 绪论20-38
• 1.1 太阳能电池的研究背景20
• 1.2 表征太阳能电池性能的特征参数20-22
• 1.2.1 短路电流21-22
• 1.2.2 开路电压22
• 1.2.3 填充因子22
• 1.3 太阳能电池的发展与分类22-35
• 1.3.1 硅基太阳能电池23
• 1.3.2 无机薄膜太阳能电池23-24
• 1.3.3 有机太阳能电池24-35
• 1.3.3.1 染料敏化太阳能电池的研究进展24-27
• 1.3.3.2 聚合物太阳能电池的研究进展27-29
• 1.3.3.3 有机/无机杂化太阳能电池的研究进展29-35
• 1.4 对太阳能电池发展的展望35
• 1.5 本论文研究的目的和内容35-38
• 1.5.1 研究目的35-36
• 1.5.2 研究内容36-38
• 第二章 一维ZnO纳米棒及纳米管阵列的电化学制备及其光电性能研究38-56
• 2.1 引言38
• 2.2 实验部分38-44
• 2.2.1 实验用试剂及仪器38-40
• 2.2.2 实验步骤40-43
• 2.2.2.1 ZnO纳米棒阵列的电化学沉积40-42
• 2.2.2.2 ZnO纳米管阵列的电化学腐蚀42-43
• 2.2.3 表征与性能测试43-44
• 2.3 结果与讨论44-55
• 2.3.1 沉积条件对ZnO纳米棒阵列形貌及光电性能的影响44-50
• 2.3.1.1 PEG-400加入量对ZnO种子层及纳米棒阵列形貌的影响45-47
• 2.3.1.2 EDA加入量对ZnO纳米棒阵列形貌的影响47-49
• 2.3.1.3 PEG-400与EDA对ZnO纳米棒阵列膜电极光电性能的影响49-50
• 2.3.1.4 ZnO纳米棒阵列优化制备工艺及阵列形貌50
• 2.3.2 电化学腐蚀条件对ZnO纳米管阵列形貌的影响50-52
• 2.3.3 ZnO纳米棒和纳米管阵列膜的对比研究52-55
• 2.3.3.1 XRD测试结果对比52-53
• 2.3.3.2 瞬态光电流对比53-54
• 2.3.3.3 染料敏化太阳能电池光伏性能对比54-55
• 2.4 结论55-56
• 第三章 一维壳核式CdS/ZnO纳米阵列的电化学制备及其光电性能研究56-76
• 3.1 引言56
• 3.2 实验部分56-61
• 3.2.1 实验用试剂及仪器57-58
• 3.2.2 实验步骤58-60
• 3.2.2.1 CdS的电化学沉积机理简述59
• 3.2.2.2 一维壳核式CdS/ZnO纳米阵列结构的制备59-60
• 3.2.3 表征与性能测试60-61
• 3.3 结果与讨论61-73
• 3.3.1 循环伏安法确定CdS电沉积条件61-62
• 3.3.2 CdS在ZnO纳米棒及纳米管阵列上的电沉积曲线62-63
• 3.3.3 电沉积时间对一维壳核式ZnO/CdS纳米棒阵列形貌的影响63-65
• 3.3.4 电沉积时间对一维壳核式ZnO/CdS纳米管阵列形貌的影响65-68
• 3.3.5 一维壳核式ZnO/CdS纳米管阵列的光吸收性能68-69
• 3.3.6 一维壳核式ZnO/CdS纳米棒及纳米管阵列的光电性能研究69-72
• 3.3.7 一维壳核式ZnO/CdS纳米阵列中的电荷传输机理72-73
• 3.4 结论73-76
• 第四章 基于一维壳核式复合半导体杂化敏化太阳能电池的研究76-102
• 4.1 引言76-77
• 4.2 实验部分77-82
• 4.2.1 实验用试剂及仪器77-78
• 4.2.2 实验步骤78-81
• 4.2.2.1 一维壳核式P3HT/CdS/ZnO纳米阵列的制备及其太阳能电池的组装78-80
• 4.2.2.2 基于CdS_xSe_(1-x)与CdSe/CdS的一维壳核式纳米结构太阳能电池的组装80-81
• 4.2.3 表征与性能测试81-82
• 4.3 结果与讨论82-99
• 4.3.1 基于一维壳核式P3HT/CdS/ZnO纳米阵列杂化敏化太阳能电池的研究82-92
• 4.3.1.1 一维壳核式P3HT/CdS/ZnO纳米阵列的表征82-84
• 4.3.1.2 一维壳核式P3HT/CdS/ZnO纳米阵列的光吸收性能84-85
• 4.3.1.3 一维壳核式P3HT/CdS/ZnO纳米阵列的光电性能研究85-88
• 4.3.1.4 P3HT及CdS在一维壳核式P3HT/ZnO纳米阵列结构中的作用88-91
• 4.3.1.5 一维壳核式P3HT/CdS/ZnO纳米阵列的工作机理探讨91-92
• 4.3.2 对新型复合半导体杂化共敏化太阳能电池光敏层的改进92-99
• 4.3.2.1 不同窄禁带半导体敏化ZnO纳米管阵列的表征92-93
• 4.3.2.2 不同窄禁带半导体敏化ZnO纳米管阵列的光吸收性能93-94
• 4.3.2.3 基于不同窄禁带半导体敏化ZnO纳米管阵列的太阳能电池研究94-96
• 4.3.2.4 一维壳核式P3HT/CdS_xSe_(1-x)/ZnO纳米阵列杂化敏化太阳能电池研究96-99
• 4.3.3 对一维壳核式复合半导体杂化共敏化太阳能电池的展望99
• 4.4 结论99-102
• 第五章 结论102-106
• 参考文献106-116
• 致谢116-118
• 研究成果及发表的学术论文118-120
• 作者简介120-122
• 导师简介122-124
• 博士研究生学位论文答辩委员会决议书124-125

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