ZnO纳米阵列敏化太阳能电池的制备与性能研究

【摘要】：为了解决能源危机和污染严重问题,把太阳能转换成电能,制备光伏器件具有重要的科学意义。作为最具发展潜力的液态电池之一,量子点敏化太阳能电池基于窄带隙和宽带隙半导体之间的能带耦合实现载流子的分离,通过构筑核壳型纳米电缆阵列结构,即采用透明氧化物如ZnO纳米棒阵列作为一维结构核电极来加速电子的一维传输,利用光吸收性能优异的窄带隙半导体材料作为纳米壳层来增加采光面积,减小电子传输距离和界面电荷损失。因此,如何拓宽敏化剂材料吸收光谱范围,促进载流子的分离和传输对提高电池的光电转换效率非常关键。 本文首先对核壳型ZnO/CdSeTe合金纳米电缆的制备和光电化学性能进行了系统研究。采用水热法在导电玻璃上制备了ZnO纳米棒阵列,然后采用电化学沉积法在纳米阵列电极上合成了组分可调的的CdSeTe合金壳层。通过改变沉积溶液中Se/Te源的比例和沉积时间,对CdSeTe合金的组分x及厚度实现了灵活调控,结合高温退火,有效提高了电化学电池的光电化学性能。研究发现,合金纳米电缆的光吸收边随x值增加呈现先红移后蓝移的现象。其中ZnO/CdSeo.3Teo.7纳米电缆的光吸收边为～880nm,而构筑电化学电池后该电池的光电流也达到了-17.2mA/cm2,远高于ZnO/CdTe, ZnO/CdSe及其它组分合金纳米电缆的结果。通过进一步对ZnO/CdSeo.3Teo.7的厚度进行优化后,饱和光电流密度则可以增加到-20.0mA/cm2。 其次,本文对ZnO三维纳米结构电极的制备和光电化学性能进行了研究。采用水热法在AZO导电玻璃上生长了一层ZnO三维纳米结构,然后研究了PEI对ZnO的生长作用。对AZO导电玻璃的退火温度进行了分析,接下来通过改变水热次数的方法达到了对ZnO结构厚度的调节目的。通过SEM分析总结出了水热次数和ZnO厚度的变化规律。经过退火温度与厚度的双重优化,最后在N719敏化下,开路电压到达～0.49V,短路电流～9.51mA/cm2,填充因子41.4和2%的光电转换效率。 【关键词】：ZnO纳米棒 合金核壳结构 结构 染料 太阳能电池
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 太阳能的利用方式11
• 1.2 太阳能电池的分类11-14
• 1.2.1 硅太阳能电池12
• 1.2.2 薄膜太阳能电池12-13
• 1.2.3 聚合物物太阳能电池13
• 1.2.4 敏化太阳能电池13-14
• 1.3 染料敏化太阳能电池的原理及发展现状14-15
• 1.4 半导体量子点敏化太阳能电池的原理及发展现状15-17
• 第2章 纳米材料的制备与表征方法17-27
• 2.1 前言17
• 2.2 纳米材料的制备方法17-22
• 2.2.1 溅射法17-18
• 2.2.2 脉冲激光法18-19
• 2.2.3 水热法19-20
• 2.2.4 电化学沉积法20-22
• 2.2.5 连续离子层吸附反应法22
• 2.3 纳米材料结构与器件性能的表征方法22-27
• 2.3.1 X射线测试(XRD)22-23
• 2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)23
• 2.3.3 紫外-可见(UV-vis)分光光谱23-24
• 2.3.4 线性扫描伏安法(LSV)24
• 2.3.5 方块电阻测试24
• 2.3.6 太阳光模拟器24-27
• 第3章 ZnO/CdSeTe核壳纳米电缆阵列光阳极的制备与光电性能研究27-36
• 3.1 前言27-28
• 3.2 实验方案28-29
• 3.2.1 ZnO纳米阵列的制备28
• 3.2.2 CdSeTe合金量子点壳层的制备28-29
• 3.2.3 电化学电池的构筑和表征29
• 3.3 结果与讨论29-35
• 3.3.1 反应机理的讨论29
• 3.3.2 ZnO/CdSeTe合金纳米电缆阵列的形貌29-30
• 3.3.3 ZnO/CdSeTe合金纳米电缆阵列的结晶性能和组分分析30-32
• 3.3.4 合金组分对阵列光学性能的影响32-33
• 3.3.5 合金组分和厚度对阵列光电化学性能的影响33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 ZnO三维纳米结构光阳极的制备与光电性能的研究36-45
• 4.1 引言36
• 4.2 实验方案36-39
• 4.2.1 AZO退火温度和导电性的研究37
• 4.2.2 ZnO三维纳米结构的制备37-38
• 4.2.3 N719染料的附着38
• 4.2.4 Pt对电极的制备38
• 4.2.5 光阳极样品电池的组装38-39
• 4.3 结果与讨论39-45
• 4.3.1 PEI在ZnO结构中的作用机理39-40
• 4.3.2 退火温度对AZO导电玻璃的导电性能的影响40
• 4.3.3 水热次数对ZnO三维纳米结构的厚度的影响40-42
• 4.3.4 ZnO三维纳米结构的结晶性能42
• 4.3.5 N719敏化ZnO三维纳米结构电极的光吸收性能42-43
• 4.3.6 N719/ZnO三维纳米结构的效率测定43-45
• 第5章 总结45-46
• 参考文献46-49
• 致谢49

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