薄膜太阳能电池中CdS/CdSe量子点敏化剂的掺杂研究

【摘要】：量子点敏化太阳能电池（QDSCs）是染料敏化太阳能电池（DSCs）的重要发展方向。由于量子点具有带隙可调、制备简单、消光系数高等优点，特别是可以产生多激子效应，使得量子点电池的理论效率高达44%，近年来受到人们的广泛关注。但是，QDSCs电池光电转换效率目前还远低于传统DSCs电池。从QDSCs的工作机理可以看出，量子点中电子与空穴能否有效分离是影响其光电转换效率的最主要原因。 本论文围绕如何优化量子点敏化太阳能电池内部的电荷传输路径，基于CdS/CdSe共敏化体系，设计了薄膜太阳能电池中量子点敏化剂的掺杂实验，主要包括以下三个方面： （1）采用SILAR方法制备CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池。当CdS沉积次数为8，CdSe沉积次数为4时，电池的电流密度达到8.86mA/cm2，开路电压达到0.48V，填充因子为0.34，电池的效率达到1.43%。在量子点的表面沉积ZnS钝化层后，电池的电流密度显著增加，达到10.59mA/cm2，电压维持不变，但填充因子下降很多，导致整体的电池效率只有1.30%。 （2）基于CdS/CdSe共敏化的实验，进行了单独对CdS或CdSe掺杂金属阳离子的实验，制备了Mn掺杂CdS/CdSe、La掺杂CdS/CdSe、CdS/Mg掺杂CdSe、CdS/Co掺杂CdSe量子点敏化太阳能电池。其中，采用SILAR方法，对CdS进行La掺杂、对CdSe进行Mg掺杂和Co掺杂，并分别做成La掺杂CdS/CdSe、CdS/Mg掺杂CdSe、CdS/Co掺杂CdSe量子点敏化太阳能电池，之前在文献中未出现这种报道。对量子点敏化剂掺杂后，电池的短路电流和开路电压均得到提高，尤其是电流密度增加显著。通过一系列表征测试得出，对CdS或CdSe掺杂金属阳离子后，量子点的导带提高了，有利于电池内部电荷的传输，减少了电子空穴的复合，提高光阳极对光的捕捉能力，从而提高光电流，进一步提升光电转换效率。 （3）基于单独对一种量子点敏化剂（CdS或CdSe）掺杂的设计思路，本论文又首次进行了同时对两种量子点敏化剂掺杂（Mn掺杂CdS和Co掺杂CdSe）的实验研究。发现同时对CdS进行Mn掺杂、对CdSe进行Co掺杂后，光阳极的光吸收范围、强度均比单独进行Mn掺杂CdS或Co掺杂CdSe以及未掺杂光阳极的效果好。对应电池的IPCE、以及电池效率也更高。说明同时进行Mn掺杂CdS、Co掺杂CdSe后，电池内部的电荷传输更加高效，电子空穴的复合进一步减小，最终提高了电池的性能。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 硫化镉 硒化镉 量子点掺杂
【学位授予单位】：北京信息科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 符号说明7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池（DSCs）简介12-13
• 1.3 量子点敏化太阳能电池（QDSCs）简介13-18
• 1.3.1 半导体量子点的特性13-14
• 1.3.2 量子点敏化太阳能电池的量子点种类14-16
• 1.3.3 量子点敏化太阳能电池的结构及工作原理16-17
• 1.3.4 量子点敏化太阳能电池现阶段的问题17-18
• 1.4 掺杂量子点敏化太阳能电池18-21
• 1.4.1 掺杂量子点敏化太阳能电池的发展现状18-20
• 1.4.2 掺杂量子点敏化太阳能电池的意义和问题20-21
• 1.5 本论文的设计思想和主要研究内容21-23
• 第2章 实验方法23-34
• 2.1 实验药品23-24
• 2.2 实验仪器24-25
• 2.3 量子点敏化太阳能电池的实验流程25-26
• 2.4 量子点敏化太阳能电池光阳极材料的表征26-29
• 2.4.1 扫描电子显微镜27
• 2.4.2 X 射线能量分散谱仪27
• 2.4.3 透射电子显微镜27-28
• 2.4.4 X 射线衍射仪28
• 2.4.5 紫外可见吸收光谱仪28
• 2.4.6 电感耦合等离子体发射光谱仪28-29
• 2.5 量子点敏化太阳能电池的性能测试29-33
• 2.5.1 量子点敏化太阳能电池电流-电压性能测试29-30
• 2.5.2 入射单色光子-电子转化效率30-31
• 2.5.3 电化学交流阻抗测试31-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 CdS/CdSe 量子点敏化太阳能电池的性能研究34-48
• 3.1 引言34-35
• 3.2 实验部分35
• 3.3 实验结果与讨论35-47
• 3.3.1 不同 CdSe 沉积次数对 CdS/CdSe 量子点敏化太阳能电池性能的影响35-43
• 3.3.2 CdS/CdSe 量子点敏化太阳能电池光阳极的材料表征43-44
• 3.3.3 CdS/CdSe 量子点敏化太阳能电池的性能分析44-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 CdS 或 CdSe 掺杂对 CdS/CdSe 量子点敏化太阳能电池性能影响的研究48-89
• 4.1 引言48-49
• 4.2 Mn 掺杂 CdS /CdSe 量子点敏化太阳能电池的性能研究49-58
• 4.2.1 实验部分49-50
• 4.2.2 实验结果与讨论50-58
• 4.3 La 掺杂 CdS /CdSe 量子点敏化太阳能电池的性能研究58-68
• 4.3.1 实验部分59
• 4.3.2 实验结果与讨论59-68
• 4.4 CdS/Co 掺杂 CdSe 量子点敏化太阳能电池的性能研究68-78
• 4.4.1 实验部分69-70
• 4.4.2 实验结果与讨论70-78
• 4.5 CdS/Mg 掺杂 CdSe 量子点敏化太阳能电池的性能研究78-87
• 4.5.1 实验部分79
• 4.5.2 实验结果与讨论79-87
• 4.6 本章小结87-89
• 第5章 CdS 和 CdSe 同时掺杂对 CdS/CdSe 量子点敏化太阳能电池的性能研究89-96
• 5.1 引言89
• 5.2 Mn 掺杂 CdS、Co 掺杂 CdSe 对 CdS/CdSe QDSCs 性能的影响89-95
• 5.2.1 实验部分89
• 5.2.2 实验结果与讨论89-95
• 5.3 本章小结95-96
• 第6章 结论与展望96-99
• 6.1 结论96-97
• 6.2 存在的问题及下一步工作方向97-99
• 参考文献99-104
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果104-105
• 致谢105

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