Ag/TiO_2、CdS微纳结构薄膜的制备及其在太阳能电池中的应用

【摘要】：长久以来，太阳能电池的研究和发展目标一直是降低成本、提高效率，使其比传统化石燃料更具有竞争力。现在利用纳米技术将新颖的纳米材料应用到电池中被认为是制备下一代高效率、低成本太阳能电池最有希望的路径。研究表明一维半导体阵列具有良好的晶体形貌，较大的比表面积和优异的电荷传输性能，在光伏太阳能电池方面拥有巨大的应用潜质。因此，本论文主要从一维半导体纳米材料的合成，及在染料敏化太阳能电池和异质结太阳能电池中的应用方面进行研究，并得到了一系列有意义的结果。 （1）采用溶剂热法，以AgNO3、钛酸丁酯和乙二醇为前驱物，在FTO基底表面合成出Ag/TiO2芯壳结构纳米线阵列，考察了制备过程中AgNO3的含量对Ag/TiO2纳米线形貌和结构的影响，发现AgNO3对纳米线中Ag芯直径与TiO2外壳厚度起到关键的作用。将Ag/TiO2纳米线阵列嵌入到TiO2纳晶颗粒中作为复合光阳极制备染料敏化太阳能电池，并与传统纯TiO2介孔薄膜太阳能电池进行比较。发现在辐射强度为100mW·cm-2的模拟太阳光照射下测试，采用前驱物中AgNO3含量为1.25mmol的复合光阳极所制备的电池因为Ag芯为电子传输提供“高速通道”，减少了光生载流子的复合，获得了22.1mA·cm-2的短路电流密度，相应的开路电压和转换效率分别为0.69V和9.8%，其光电性能明显优于纯TiO2介孔薄膜太阳能电池。 （2）以化学水浴沉积法在FTO基底表面制备一层均匀、致密、无孔洞的CdS纳米晶（NC）薄膜，然后采用水热法在纳米晶薄膜上制备出CdS纳米棒（NR）阵列。研究发现，随着化学水浴沉积时间的延长，CdS纳米棒的密度增加，长度减小，且薄膜的光吸收强度和光电化学性质呈现先增大后减小的规律。当水浴时间和水热时间分别为30min和14h时，CdS纳米棒阵列薄膜的光吸收性能最好，而且显示出最佳的光电化学性质，短路电流密度为1.80mA·cm-2，开路电压为1.27V。同时，CdS纳米棒阵列薄膜的光电转换性能要比单纯纳米晶薄膜和单纯纳米棒薄膜好，这是因为CdS纳米棒阵列薄膜拥有较高的表面积能够提高光生电荷的分离效率，而且单晶结构纳米棒为电子传输提供一个直接的传输路径，同时CdS纳米晶薄膜保护FTO不与电解液接触，能够减少光生载流子的复合，从而提高电荷收集效率。 （3）采用磁控溅射法在CdS纳米棒阵列薄膜表面生长一层均匀致密的CdTe薄膜，由于CdS薄膜中纳米棒密度太高，而且在磁控溅射过程中所设定的衬底温度较低、溅射功率较高，使得CdTe薄膜只是在纳米棒的顶端生长，而没有沉积到纳米棒之间，减少了电池中的异质结面积，从而降低了光生电子的产生。当薄膜经过CdCl2热处理后，CdTe薄膜发生了重结晶，晶粒尺寸有所增加，而且结晶性变好，但出现了很多孔洞，影响了光生载流子的分离及其在薄膜中的传输。对所制备的CdS/CdTe异质结薄膜太阳能电池进行光电测试，得出短路电流密度、开路电压、填充因子和转换效率分别为4.62mA·cm-2、0.56V、0.35和0.91%，而且最高IPCE值为64%。相比于传统的平面异质结太阳能电池，我们所获得的光伏性能并不高，原因是实验中并没有形成真正的三维异质结太阳能电池。 （4）采用化学水浴沉积法在CdS纳米棒阵列薄膜表面生长一层均匀、致密、无孔洞的PbS纳米晶薄膜。溶液方法有利于PbS纳米晶在CdS纳米棒之间生长，从而形成了高质量的三维异质结薄膜。相比于传统的CdSNC/PbS平面异质结太阳能电池，CdSNR/PbS三维异质结电池的光吸收能力比较强，通过光电测试得到其短路电流密度为10.87mA·cm-2，转换效率为1.01%，比CdSNC/PbS平面异质结电池的转换效率高。其光电性能提高可以归因于三维异质结薄膜的异质结面积比平面异质结薄膜大，而且CdS纳米棒可以提高电子的传输速度，减少光生载流子的复合，同时三维异质结薄膜的光捕获能力强，增加了对入射光的吸收，从而有利于产生更多的光生载流子。 【关键词】：Ag/TiO2 CdS 染料敏化 异质结 太阳能电池
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-34
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太阳能电池13-19
• 1.2.1 太阳能电池简介13-15
• 1.2.2 太阳能电池的工作原理和电性参数15-19
• 1.3 染料敏化太阳能电池（DSSC）19-24
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池简介19-21
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的基本结构21-23
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池的工作原理23-24
• 1.4 化合物太阳能电池24-32
• 1.4.1 化合物太阳能电池简介24-25
• 1.4.2 CdS/CdTe 太阳能电池25-27
• 1.4.3 铜铟镓硒太阳能电池27-30
• 1.4.4 砷化镓太阳能电池30-32
• 1.5 本论文的选题依据和主要研究内容32-34
• 第二章 Ag/TiO_2芯壳结构纳米线阵列薄膜的制备及其光电特性研究34-49
• 2.1 引言34-35
• 2.2 Ag/TiO_2芯壳结构纳米线阵列光阳极的制备35-38
• 2.2.1 实验试剂和设备35-36
• 2.2.2 制备方法36-38
• 2.3 实验结果38-47
• 2.3.1 FESEM 与 HRTEM 分析38-39
• 2.3.2 XRD 光谱分析39-40
• 2.3.3 薄膜形成机制分析40-41
• 2.3.4 电池设计机制分析41-42
• 2.3.5 电池的 J-V 特性分析42-44
• 2.3.6 电池的光电转换效率（IPCE）特性分析44-45
• 2.3.7 电池的电荷复合速率常数和电子寿命分析45-47
• 2.4 本章小结47-49
• 第三章 CdS 纳米棒阵列薄膜的制备及其光电化学特性研究49-67
• 3.1 引言49-50
• 3.2 CdS 纳米棒阵列薄膜的制备50-51
• 3.2.1 CdS 纳米晶薄膜的制备50
• 3.2.2 CdS 纳米棒薄膜的制备50-51
• 3.2.3 CdS 纳米棒阵列薄膜的 CdCl_2热处理51
• 3.3 CdS 纳米棒阵列薄膜表征51-65
• 3.3.1 FESEM 分析51-54
• 3.3.2 CdCl_2热处理分析54-56
• 3.3.3 XRD 与 EDS 分析56-57
• 3.3.4 TEM 和 HRTEM 分析57-58
• 3.3.5 CdS 薄膜的生长机制58-60
• 3.3.6 CdS 薄膜的光吸收性能分析60-61
• 3.3.7 CdS 薄膜的光电化学性能分析61-65
• 3.4 本章小结65-67
• 第四章 CdS/CdTe 异质结薄膜太阳能电池的制备和表征67-81
• 4.1 引言67-68
• 4.2 CdS/CdTe 异质结薄膜太阳能电池的制备68-69
• 4.2.1 CdS 纳米棒阵列薄膜的制备68
• 4.2.2 CdTe 薄膜的制备68-69
• 4.2.3 CdS/CdTe 异质结薄膜太阳能电池的组装69
• 4.3 实验结果分析69-79
• 4.3.1 FESEM 分析69-71
• 4.3.2 XRD 与 EDS 分析71-74
• 4.3.3 光吸收性能分析74-75
• 4.3.4 电池的 J-V 特性分析75-78
• 4.3.5 电池的 IPCE 特性分析78-79
• 4.4 本章小结79-81
• 第五章 CdS/PbS 异质结薄膜太阳能电池的制备和表征81-94
• 5.1 引言81-82
• 5.2 CdS/PbS 异质结薄膜太阳能电池的制备82-83
• 5.2.1 CdS 纳米棒阵列薄膜的制备82
• 5.2.2 PbS 薄膜的制备82
• 5.2.3 CdS/PbS 异质结薄膜太阳能电池的组装82-83
• 5.3 实验结果分析83-92
• 5.3.1 FESEM 分析83-85
• 5.3.2 XRD 与 EDS 分析85-87
• 5.3.3 光吸收性能分析87-90
• 5.3.4 电池结构90-91
• 5.3.5 电池的 J-V 特性分析91-92
• 5.4 本章小结92-94
• 第六章 结论与展望94-98
• 6.1 结论94-96
• 6.2 展望96-98
• 参考文献98-111
• 作者简历及科研成果111-115
• 致谢115

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