金空心球等离激元调控量子点敏化太阳能电池的光电性能研究

【摘要】：量子点敏化太阳能电池由于其成本较低、制备工艺简单等优势受到科研工作者极大的关注,但是实际转换效率很低。为此,人们作出很多努力来提高电池的光电转换效率,其中一种直接有效的途径就是加入金属纳米颗粒,利用其表面等离激元特性可以提高太阳能电池对光的吸收,并增强其光电性能。然而如何有效的提高电池的效率仍是一大问题。本文主要研究工作是制备了空心结构的纳米金球(HGNs)并应用到太阳能电池中,探讨HGNs等离激元的尺寸效应对电池光电性能的影响,同时优化光阳极和阴极结构的设计,以获得最佳光电性能的太阳能电池。主要工作内容如下:1.采用牺牲模板法制备了HGNs,以水热法制备了疏密适度的TiO2纳米棒(NR),将HGNs电泳沉积到棒表面,最后利用连续离子层吸附法沉积了CdS光敏化层,制备了FTO/TiO2NR/HGN/CdS光阳极。在表面等离激元作用下,HGN能有效增加光阳极对太阳光的吸收,同时增强了邻近的CdS光敏材料的耦合光的能力,促进生成更多的光生载流子,从而提高光阳极的光电性能。研究了不同HGN浓度和CdS量对光阳极光电性能的影响,发现当沉积HGN时间为7 min时,FTO/TiO2NR/HGN/CdS光阳极的光电流密度、开路电压和入射光子-电子转换效率达到最佳。控制CdS沉积次数为4次时,能够得到最佳厚度的光敏化层,在不阻碍电解液流动的同时有效吸收光子产生更多的载流子。2.采用牺牲模板法制备了20-60 nm尺寸的金空心球,并掺入量子点敏化太阳能电池中,研究其表面等离激元对电池光电性能的影响。结合水热法、电泳沉积法、化学水浴沉积法和连续离子层吸附法制备了FTO/TiO2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极,并通过化学沉积法制备了FTO/CuS电极,作为电池的阴极。研究结果表明,与相同尺寸和相同质量分数的实心金球相比,HGN的吸收峰发生明显的红移,在可见光有更宽的响应范围和更好的陷光能力,使能量转换效率提高了20%。当HGN的外径为33 nm时,其表面等离子体共振峰与光阳极材料的吸收峰位匹配度最好,使得电池的光电性能最佳。光阳极中沉积了一层ZnS钝化层后能有效保护光敏材料CdSe,避免其光腐蚀。进一步研究了HGN浓度和CdSe量对电池性能的影响,当HGN浓度为1.33 wt%时,电池的能量转换效率最高,达到3.08%。过量的HGN会增加光阳极材料中的复合中心,减少有效载流子的浓度。当CdSe水浴沉积时间为15 min时,得到的光敏层的厚度最佳,电池的光电性能最佳。优化了FTO/CuS电极制备工艺,当pH=2.69时,电极的电学活性最好。与Pt电极进行比较,FTO/CuS电极更适于作为量子点敏化太阳能电池的阴极。3.采用晶种生长法和二次水热法制备了分枝状的TiO2NR(TiO2BNR),然后结合电泳沉积法、化学水浴沉积法和连续离子层吸附方法制备FTO/TiO2BNR/HGN/CdSe/ZnS光阳极,并将FTO/CuS电极作为电池的阴极使用。研究结果表明,分枝状Ti O2NR和HGN表面等离激元能够共同增强太阳能电池的光电性能。控制生长晶种的时间为1h,TiO2NR表面有“针”状晶种生成,截面排列为锯齿状。然后通过连续的水热法,在TiO2NR表面全方位的生长出纳米分枝,分枝长度范围在30-160 nm。当分枝长度为30 nm时,与HGN的散射作用相结合,使得太阳能电池的能量转换效率最高达到3.26%。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 金空心球 光电性能 表面等离激元
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 研究背景11
• 1.2 光伏发电的发展历程11-12
• 1.3 量子点敏化太阳能电池的结构、工作原理和工艺优化12-15
• 1.3.1 量子点敏化太阳能电池的结构和工作原理12
• 1.3.2 基于TiO_2电极结构设计12-13
• 1.3.3 量子点光敏材料的选择13-14
• 1.3.4 电解质材料的选择14
• 1.3.5 阴极材料的设计14-15
• 1.3.6 提高量子点敏化太阳能电池光电性能的方法15
• 1.4 表面等离激元在太阳能电池应用研究15-19
• 1.4.1 表面等离激元简介15-17
• 1.4.2 表面等离激元在太阳能电池的发展介绍17-19
• 1.5 本课题研究的意义及内容19-20
• 参考文献20-24
• 第二章 实验原料、制备方法及表征手段24-33
• 2.1 实验原料及相关设备24-25
• 2.1.1 实验原料24-25
• 2.1.2 实验设备25
• 2.2 制备方法25-29
• 2.2.1 TiO_2纳米棒(NR)及分枝状TiO_2纳米棒(BNR)的制备25-26
• 2.2.2 金实心球及金空心球的制备26-27
• 2.2.3 电泳沉积金溶胶粒子27
• 2.2.4 CdS光敏层的制备27-28
• 2.2.5 CdSe光敏层的制备28
• 2.2.6 ZnS钝化层的制备28-29
• 2.2.7 CuS阴极的制备29
• 2.2.8 电池组件封装29
• 2.3 表征仪器及参数设置29-33
• 2.3.1 结晶相结构分析29-30
• 2.3.2 表面形貌及成分分析30
• 2.3.3 微观形貌分析30
• 2.3.4 元素组成分析30
• 2.3.5 荧光发射光谱测试30-31
• 2.3.6 紫外-可见吸收测试31
• 2.3.7 光电性能测试31-33
• 第三章 金空心球调控CdS量子点敏化TiO_2光阳极的光电性能研究33-46
• 3.1 前言33-34
• 3.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极的制备及形貌、结构表征34-38
• 3.2.1 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极的制备34
• 3.2.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极微观形貌及结构表征34-38
• 3.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极的光学特性38-39
• 3.4 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极的光电性能表征39-41
• 3.4.1 HGN量变对光阳极光电性能的影响39-40
• 3.4.2 CdS量变对光阳极光电性能的影响40-41
• 3.5 本章小节41-43
• 参考文献43-46
• 第四章 金空心球调控TiO_2NR/Cd Se/ZnS量子点敏化太阳能电池的光电性能研究46-68
• 4.1 前言46-47
• 4.2 不同尺寸的金空心球及实心球的光学性质表征47-49
• 4.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极的形貌和结构分析49-52
• 4.3.1 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极的制备49
• 4.3.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极的表面形貌分析49-51
• 4.3.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极微观结构测试51-52
• 4.3.4 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极的成分分析52
• 4.4 FTO/CuS阴极的制备及工艺优化52-55
• 4.4.1 FTO/CuS阴极的制备及形貌、结构表征52-54
• 4.4.2 FTO/CuS阴极电化学性能测试54
• 4.4.3 不同FTO/CuS阴极对太阳能电池性能的影响54-55
• 4.5 不同尺寸的HGN对太阳能电池光电性能的影响55-58
• 4.5.1 HGN尺寸对光阳极光学性能的影响55-56
• 4.5.2 HGN尺寸对太阳能电池性能的影响56-58
• 4.6 HGN579浓度对电池光电性能的影响及机理研究58-60
• 4.6.1 HGN579浓度对电池光电性能的影响规律58-59
• 4.6.2 激子分离效率的研究59-60
• 4.6.3 电化学阻抗测试60
• 4.7 CdSe量变对电池性能的影响60-62
• 4.8 FTO/ Pt与FTO/CuS阴极对太阳能电池性能的影响62-63
• 4.9 本章小节63-64
• 参考文献64-68
• 第五章 金空心球调控TiO_2BNR/CdSe/ZnS量子点敏化太阳能电池的光电性能研究68-78
• 5.1 前言68
• 5.2 FTO/TiO_2BNR/CdSe/ZnS光阳极的制备及工艺优化68-72
• 5.2.1 分枝状TiO_2NR的制备及工艺优化68-71
• 5.2.2 FTO/TiO_2BNR/CdSe/ZnS光阳极制备及形貌的分析71-72
• 5.3 TiO_2分枝形态对太阳能电池性能的影响72-73
• 5.4 本章小结73-75
• 参考文献75-78
• 第六章 总结78-80
• 攻读学位期间主要研究成果80-81
• 致谢81

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