Hot-bubbling法合成单分散量子点及其在太阳能电池上的应用研究

【摘要】：半导体量子点（Quantum dots，QDs）具有独特的发光特性，使其在太阳能电池、光学生物标记和发光器件等领域具有广泛的应用前景。本文通过气-热液反应（Hot-bubbling）法合成了油溶性量子点，并对量子点在太阳能电池上的应用进行了研究，具体开展了以下工作： 1．利用高沸点烯烃作为反应体系，采用气-热液反应，合成了II-V族（如Cd6P7，Zn3P2）、II-Ⅵ族（如CdS）等单分散油溶性QDs。该方法结合了水相气液合成（Henglein方法）和热注射方法（Hot-injection）的优点，将具有高传质效率的气体引入到反应体系中，得到的产物具有高的结晶性。该方法不仅解决了成本高昂的问题，也实现了量子点的宏量合成，单次合成产量达5.0g。研究表明：合成反应发生在气液界面上，高温溶液体系中易于形成过饱和区域，实现了快速成核。通过控制气体流速与加入保护配体的用量，能够精确地控制量子点的生长，避免了Ostwald生长过程。通过控制合成温度低于80oC，可以得到吸收峰位于313nm和323nm的两种不同类型的CdS“魔法团簇”（Magic-sized nanoclusters，MSNs）。通过调节反应参数，得到了吸收范围在313-467nm的CdS QDs。该方法亦可用于合成复杂结构量子点，例如通过掺杂Mn，可以得到Mn：Cd6P7量子点，通过控制反应气氛，可以获得具有核壳结构的ZnO@Zn3P2量子点，拓宽了QDs发光范围至710nm，延长了荧光寿命至430ns，提高了QDs的化学稳定性，增大了ZnO@Zn3P2-ITO工作电极的光电流密度到8nA·cm-2。 2．采用配体交换（Ligand-exchange）作用改善量子点在多孔膜上的吸附问题，将量子点溶液与Ligand溶液（pH=10-12）按等体积混合，离心再分散。实验发现：交换后的量子点可溶于水相中，并能在光阳极表面形成均匀的敏化膜。将量子点作为敏化剂构建出QDs敏化太阳能电池（Quantum-dots sensitized solar cells，QDSSCs），考察了光电池的光伏性能。结果表明：当采用不同尺寸的CdS量子点（如MSNs和常规QDs（d=5.0nm））共敏化时，得到的QDSSCs的光电转换效率η可达1.55%，比单一尺寸的量子点敏化光电池的η值高，如MSNs QDSSCs（η=0.53%）和常规QDs（d=5.0nm）的QDSSCs（η=0.98%），并且IPCE会出现与吸收光谱对应的370nm和460nm两个峰，实现了光谱响应范围的拓宽。将Mn：Cd6P7作为敏化剂，得到的光电转换效率是未掺杂的两倍多，说明Mn2+有利于电子的导出。 【关键词】：Hot-bubbling法 油溶性量子点 量子点敏化电池 光电转换效率
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O657.3;TM914.4
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-14
• 插图清单14-16
• 表格清单16-17
• 主要符号注释表17-18
• 第一章 绪论18-31
• 1.1 量子点的研究现状18-20
• 1.1.1 量子点简介18
• 1.1.2 量子点的基本性质18-20
• 1.2 量子点的主要制备方法20-23
• 1.2.1 水体系气液合成20
• 1.2.2 高沸点有机溶剂体系合成20-22
• 1.2.3 化学沉淀法22
• 1.2.4 水热法与溶剂热法22-23
• 1.3 量子点的应用23-25
• 1.3.1 量子点在生命科学中的应用23-24
• 1.3.2 在分析科学上的应用24
• 1.3.3 在光电器件上的应用24-25
• 1.3.4 在能量转换方面的应用25
• 1.4 量子点敏化太阳能电池简介25-29
• 1.4.1 量子点敏化太阳电池的工作原理26
• 1.4.2 量子点在多孔膜上的吸附方法26-27
• 1.4.3 量子点敏化太阳能电池的性能评价27-29
• 1.5 本论文的研究目标及主要内容29-31
• 1.5.1 课题的研究目标29
• 1.5.2 研究的主要内容29-31
• 第二章 实验方法、原理及表征方法31-40
• 2.1 实验主要仪器及试剂31-33
• 2.2 半导体纳米晶的光学性质33-37
• 2.2.1 原理33-34
• 2.2.2 气-液反应技术路线34-35
• 2.2.3 光谱性质表征35-37
• 2.3 半导体纳米晶的结构性质37
• 2.3.1 元素分析37
• 2.3.2 结构表征37
• 2.4 太阳能电池的光伏性能37-40
• 2.4.1 量子点敏化太阳能电池的结构和原理37-38
• 2.4.2 量子点敏化太阳能电池的组装38-39
• 2.4.3 量子点敏化太阳能电池的测试39-40
• 第三章 硫化镉量子点的合成及其敏化电池的光伏性能研究40-54
• 3.1 引言40
• 3.2 硫化镉量子点的合成40-50
• 3.2.1 实验过程40-41
• 3.2.2 实验结果与讨论41-50
• 3.2.3 结论50
• 3.3 CdS 敏化太阳能电池的制备及光电性能研究50-53
• 3.3.1 实验过程50-51
• 3.3.2 CdS 量子点敏化太阳能电池的光伏性能51-53
• 3.3.3 结论53
• 3.4 本章小结53-54
• 第四章 Mn 掺杂量子点的研究54-61
• 4.1 引言54-55
• 4.2 实验过程55
• 4.2.1 MnSt2的制备55
• 4.2.2 Mn：CdS 的合成55
• 4.2.3 Mn：Cd_6P_7的合成55
• 4.2.4 Mn 掺杂太阳能电池的构造55
• 4.3 实验结果与讨论55-60
• 4.3.1 Mn：CdS 的光谱性质55-56
• 4.3.2 Mn：Cd_6P_7的光谱性质56-58
• 4.3.3 Mn：Cd_6P_7量子点敏化太阳能电池的性能研究58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第五章 ZnO@Zn_3P_2纳米晶的合成以及光谱和光电化学性质研究61-74
• 5.1 引言61
• 5.2 ZnO@Zn_3P_2的合成61-70
• 5.2.1 实验过程61-63
• 5.2.2 实验结果与讨论63-70
• 5.3 ZnO@Zn_3P_2纳米晶光电性能研究70-73
• 5.3.1 实验过程70-71
• 5.3.2 ZnO@Zn_3P_2纳米晶的光电性能71-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第六章 结论与展望74-76
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-87
• 攻读硕士学位期间学术活动及成果情况87-88

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