固态硫化亚锡量子点敏化太阳能电池的制备和能级结构研究

【摘要】：量子点敏华太阳能电池（quantum dot sensitized solar cell, QDSSC）为第三代太阳能电池，使用无机半导体纳米颗粒（一般小于~10nm）作为吸光层，通过改变尺寸可以实现能级和能带排列的设计，因此QDSSC可以转换很大波长范围的光，使其理论上可达到75%的光电转换效率。 II-VI族和IV-VI族半导体的被广泛研究，如CdTe、CdSe、PbS、PbSe等，然而这些材料的毒性阻碍了它们的进一步推广应用，同时目前所制备的QDSSC采用液态电解质，存在稳定性差的问题。为解决以上两个问题，本论文选择锡硫化物（SnS），其不仅无毒且在地壳中含量丰富，同时使用有机电荷传输材spiro-OmetaD作为固态电解质，制备全固态SnS量子点敏化太阳能电池（ss-QDSSC）。 通过控制合成温度，在60、90、120、150、180℃的合成条件下得到了3-4、5-6、7-8、11-12、13-14nm的量子点。紫外可见红外吸收光谱的结果表明随着颗粒尺寸变小其吸光波长有明显的蓝移，禁带宽度变大，且价带向下移动和导带向上移动的量相应变大。XRD测试结果表明SnS的晶相是正交晶硫锡矿，在180℃下获得的颗粒性能与体材料类似，随着温度降低，材料的结晶性变差。 将不同尺寸的SnS量子点用双官能团表面改性剂吸附到TiO2薄膜上形成TiO2/SnS异质结，SnS受光激发后产生的电子注入到TiO2多孔层中产生光电流。随着合成温度的降低，TiO2和SnS的导带差值有降低趋势，但所有温度下都达到约0.8eV，提供了足够大的电子注入驱动力；同时SnS的再生驱动力，即SnS的价带值和固态电解质的功函数差值不断增加，只有当较低温度（如120,90和60℃）下，再生驱动力才足够使得电池能正常工作。综合量子点的光谱吸收以及能带关系，所制备的电池随着量子点颗粒的尺寸变小，电流和电压有变大的趋势，同时光电效率提高。同时基于90℃合成的SnS量子点的电池表现出了最佳性能：0.078mA/cm2的光电流，0.342V的开路电压，38.2％的填充因子，以及0.01％的整体能量转换效率。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 硫化亚锡 固态电解质 光谱吸收 能带结构
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O614.432;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-8
• Corresppondence table8-10
• Chapter 1 Introduction10-20
• 1.1 Solar energy10-11
• 1.2 Extension of light absorption range in solar cells11-15
• 1.2.1 The concept of energy conversion by Si solar cell11-13
• 1.2.2 Multi-junction cells13-14
• 1.2.3 Monolithically integrated cells514
• 1.2.4 Quantum-dot sensitized solar cells (QDSCs)14-15
• 1.3 Exceptional advantages of QDSCs15-17
• 1.3.1 the Quantum confinment effec15-16
• 1.3.2 the Multi-Band creation16
• 1.3.3 Material selection716-17
• 1.4 Research trend17-18
• 1.5 Research object18
• 1.6 Purpose of this work18-20
• Chapter 2 Experimental Details20-33
• 2.1 SnS nanoparticles synthesis20-21
• 2.1.1 Materials20
• 2.1.2 Synthesis of SnS nanoparticles20-21
• 2.2 Characterization of SnS QDs21-24
• 2.2.1 Washing process for SnS21
• 2.2.2 XPS mesurement21-23
• 2.2.3 XRD mesurement23
• 2.2.4 HRTEM23-24
• 2.2.5 UV-Vis-IR absorption specra mesurement24
• 2.3 Dye-Sensitized Solar Cell fabrication24-31
• 2.3.1 Basic concept of Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)24-25
• 2.3.2 Hole transport layer25-26
• 2.3.3 Solid-state Dye-Sensitized Slar Cell (ss-DSSC)26-27
• 2.3.4 Blocking (Desnse TiO2) layer27-28
• 2.3.5 Porous Titania layer preparation by the acidic hydrothermal method28-30
• 2.3.6 Design of DSSC30-31
• 2.4 Quantum Dot-Sensitized Solar Cell fabrication31-32
• 2.4.1 Basic concept of Quantum Dot-Sensitized Solar Cell (QDSSC)31-32
• 2.5 J-V mesurement32-33
• 2.5.1 J-V mesurement condition and the system32-33
• Chapter 3 Synthesis and Characterization of SnS nanoparticles33-42
• 3.1 Synthesis of SnS nanoparticles33-42
• 3.1.1 HRTEM images33-35
• 3.1.2 Energy gap and UV-Vis-IR absorption spectra mesurement35-38
• 3.1.3 XRD measurement38-39
• 3.1.4 XPS measurement39-40
• 3.1.6 Raman spectroscopy40-42
• Chapter 4 Results and Discussion related to solar cells42-51
• 4.1 measurement of DSSC42-46
• 4.1.1 The effect of blocking layers42-45
• 4.1.2 I-V measurement of DSSC45-46
• 4.2 J-V measurement of ss-QDSSC46-47
• 4.2.1 J-V measurement46-47
• 4.3 The band alignment analysis in SnS ss-QDSSC47-51
• 4.3.1 The band alignment analysis47-51
• Chapter 5 Conclusions51-52
• References52-57
• Acknowledgments57-58
• Personal Statement58-59
• 个人简历59

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