CuInS2-TiO2基量子點敏化太陽能電池的制備及性能研究.pdf

1、為了解決日益嚴重的能源危機和環(huán)境污染問題，太陽能電池的開發(fā)日新月異，而新型量子點敏化太陽能電池作為第三代太陽能電池已經成為材料研究的熱點。其中CuInS2/TiO2基量子點敏化太陽能電池逐漸成為國內外學者的研究重點之一。為了制備更為高效的CuInS2/TiO2基量子點敏化太陽能電池，本文首先從CuInS2量子點和TiO2的制備及生長機理入手，研究并優(yōu)化其性能，提高其在太陽能電池中的應用效率，然后探索及開發(fā)新型CuInS2量子點的敏化及共

2、敏化工藝、各種維度的TiO2納米光陽極、鈍化層及后處理和對電極對太陽能電池結構和性能的影響，并分析其影響機制，最終獲得更為高效的太陽能電池，主要研究結論及成果具體如下：
　　1．采用鈦酸定向二步水熱法合成高效銳鈦礦相TiO2納米顆粒及納米帶；采用多步水熱法合成一維金紅石相TiO2納米棒陣列，研究不同水熱反應時間和次數對產物形貌結構的影響，并在此基礎上進一步合成三維金紅石相TiO2納米枝晶，并用“成核—生長—外延生長”的過程闡述Ti

3、O2納米棒/納米枝晶的生長機理；采用高溫水熱反應合成一維銳鈦礦相TiO2納米線陣列，并用“成核—溶解—再結晶—共邊”的過程闡述TiO2納米線陣列的生長機理；采用陽極氧化法制備適合太陽能電池光陽極的高度有序的TiO2納米管陣列薄膜。
　　2．分別運用多步熱分解法、一步熱分解法、溶劑熱法和水相熱處理合成法合成各種尺寸的CuInS2量子點，并研究有機耦合劑種類、有機耦合劑濃度、反應溫度、反應時間和熱處理時間等因素對產物形貌結構及光學性能

4、的影響，并用快速成核生長、奧斯特瓦爾德熟化和團聚反應等模式闡述不同尺寸CuInS2量子點的生長機理，通過有機耦合劑轉換等方式將CuInS2量子點應用到太陽能電池的制備中，分析最適用于量子點敏化的CuInS2量子點的合成方法。另外還發(fā)展一種連續(xù)離子層吸附法合成CuInS2量子點，研究循環(huán)次數對CuInS2量子點尺寸及光學性能的影響，并用“成核—生長”過程探討CuInS2量子點的生長機理，能極大地提高太陽能電池的光電性能。
　　3．以

5、合成的各種CuInS2量子點為基礎制備CuInS2量子點敏化TiO2納米顆粒太陽能電池，分別分析不同的量子點尺寸和不同的有機耦合次數對太陽能電池性能的影響，探索有機耦合法制備的太陽能電池的工藝與性能之間的影響規(guī)律，經過三次有機耦合循環(huán)，以油胺耦合尺寸為3.5 nm的CuInS2量子點為基礎材料制備太陽能電池的光電性能最終達到：開路電壓487.7 mV，短路電流密度1.85 mA/cm2，填充因子0.67，光電轉換效率0.59％。

6、　　4．開發(fā)新型的連續(xù)離子層吸附法成功制備CuInS2量子點敏化TiO2納米光陽極，研究不同的反應溶液離子濃度、不同的沉積次數和緩沖層對太陽能電池性能的影響。研究表明在銅離子溶液中反應時間為30 s能夠獲得純度較高、光電性能較好的光陽極，隨著SILAR沉積次數的增加，TiO2納米顆粒薄膜表面CuInS2量子點的含量增加，而SILAR沉積次數為6次制備的光陽極具有最佳的光吸收性能和光電轉換效率；通過引入CuxS緩沖層能夠有效地提高太陽能電

7、池的光電轉換效率，最終達到：開路電壓585.4 mV，短路電流密度4.33 mA/cm2，填充因子0.371，光電轉換效率0.94％。
　　5．聯合有機耦合法和連續(xù)離子層吸附法的優(yōu)勢，共同制備CuInS2/CuInS2和CuInS2/Mn-CdS量子點共敏化TiO2納米顆粒太陽能電池，分析不同的敏化工藝對光電性能的影響，進一步提高太陽能電池的光電轉換效率，分別達到1.32％和3.51％。
　　6．分別探索ZnS和ZnSe兩種

8、不同的鈍化層材料對CuInS2/TiO2基量子點敏化太陽能電池光電性能的影響。結果表明，ZnSe作為純CuInS2基量子點敏化太陽能電池的鈍化層、ZnS作為CuInS2/Mn-CdS基量子點敏化太陽能電池的鈍化層能夠獲得最佳的光電轉換效率。研究不同的熱處理溫度和熱處理時間對太陽能電池光電性能的影響，結果表明，熱處理溫度為300℃和熱處理時間為5 min制備的CuInS2/Mn-CdS基量子點敏化TiO2納米顆粒太陽能電池可以獲得最佳的光

9、電轉換效率4.22％。
　　7．分別以各種零維、一維和三維TiO2納米材料作為光陽極組裝太陽電池，通過結果對比可以發(fā)現，一維和三維TiO2納米陣列薄膜都太陽能電池所產生的光電流密度都要大于TiO2納米顆粒薄膜太陽能電池，最終TiO2納米管陣列薄膜太陽能電池獲得最佳的光電轉換效率達到4.48％。
　　8．簡單的化學法制備Cu2S納米陣列薄膜，并分析了Cu2S納米陣列薄膜的生長機制。分別以Cu2S納米薄膜和Cu2S納米陣列薄膜作