金納米晶合成及其在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用.pdf

1、近幾年來(lái)，量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSSCs)由于其光電轉(zhuǎn)換效率的快速提升，日益受到人們的關(guān)注。目前，Mn摻雜的CdS/CdSe共敏量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到5.4％，顯示出較好的應(yīng)用前景。另外，由于量子點(diǎn)具有激子倍增效應(yīng)(MEG)，即吸收一個(gè)光子可以產(chǎn)生多個(gè)電子-空穴對(duì)，其理論光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)44％，有望突破Schockley-Queisser極限(31％)。
　　盡管在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域開展了大量的研究工

2、作,迄今為止，其最高光電轉(zhuǎn)換效率接近6％，依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于染料敏化太陽(yáng)能電池報(bào)道的最高轉(zhuǎn)換效率(～11.5％)。主要原因在于其器件結(jié)構(gòu)尚需改善、光吸收尚需進(jìn)一步增強(qiáng)、載流子復(fù)合問(wèn)題尚需進(jìn)一步解決。近年來(lái)，人們嘗試在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中引入一維納米結(jié)構(gòu)材料，期望利用納米結(jié)構(gòu)材料獨(dú)特的光電特性提高量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中，通常采用介孔的納米顆粒薄膜作為其光陽(yáng)極，分離后的光生電子在這些顆粒薄膜中采用一種“跳

3、躍”的形式在納米顆粒之間傳輸，這種傳輸方式會(huì)造成在納米顆粒界面之間產(chǎn)生嚴(yán)重的復(fù)合，使得其光電轉(zhuǎn)換效率難以提升。而一維納米結(jié)構(gòu)材料可以為光生電子提供直接的傳輸通道，通過(guò)在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中引入一維納米結(jié)構(gòu)材料有望大幅度提高其光電轉(zhuǎn)換效率。然而，就目前的研究現(xiàn)狀而言，基于一維(1D)納米結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的性能并沒有預(yù)期的好，主要是由于其較低的比表面積使得量子點(diǎn)的擔(dān)載量較低。因此，增強(qiáng)光吸收是提高一維納米結(jié)構(gòu)基量子敏化太陽(yáng)能電池

4、的有效途徑。
　　最近，貴金屬納米顆粒金、銀、銅的表面等離子體共振效應(yīng)引起了研究者的高度重視。很多研究者利用金屬納米顆粒的光散射與局域表面等離子體共振效應(yīng)(LSPR)實(shí)現(xiàn)了薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收與光電流增強(qiáng)。在第一種方式中，光照射在貴金屬納米顆粒表面直接發(fā)生散射，這種散射效應(yīng)可以有效地增加光子在太陽(yáng)能電池器件中的傳播路徑，從而達(dá)到增強(qiáng)太陽(yáng)能電池光吸收的目的;在第二種方式中，貴金屬納米顆粒中的電子在光子的激發(fā)作用下，產(chǎn)生集體的電磁振

5、蕩，即等離子體共振效應(yīng)，在金屬/半導(dǎo)體肖特基接觸附近并且處于激發(fā)態(tài)的電子能夠在冷卻前越過(guò)肖特基勢(shì)壘而注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中。這種等離子體共振“熱電子”注入效應(yīng)被廣泛應(yīng)用在光催化和聚合物薄膜太陽(yáng)能電池中提高光催化能力和器件的光電轉(zhuǎn)換效率。但就目前的研究現(xiàn)狀而言，很少有研究者嘗試把這種等離子體共振引起的“熱電子”注入現(xiàn)象應(yīng)用于一維納米結(jié)構(gòu)材料基量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中。
　　為解決一維納米結(jié)構(gòu)材料基量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中由于量子點(diǎn)擔(dān)載量較低

6、造成的光吸收較弱的問(wèn)題，在本論文中，我們制備了分散性較好的金納米晶，并將其引入到一維TiO2納米棒的量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池中，期望能夠利用其等離子體共振效應(yīng)在一定程度上增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率。具體開展了如下三個(gè)方面的研究工作:
　　(1)金納米晶的制備:利用檸檬酸鈉還原法，調(diào)節(jié)檸檬酸鈉的量以及反應(yīng)時(shí)間，制備了尺寸為20 nm，分散性較好的球形金納米晶;采用晶種生長(zhǎng)法，制備了長(zhǎng)約為55nm、寬約20 nm的金納米棒。
　　(2)金納米晶

7、在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用:通過(guò)水熱合成法，以FTO為基底，在180℃生長(zhǎng)TiO2納米棒陣列，成功制備了金紅石相的TiO2納米棒陣列;通過(guò)連續(xù)離子層吸附與化學(xué)水浴法制得TiO2/CdS/CdSe/ZnS光陽(yáng)極，調(diào)節(jié)連續(xù)循環(huán)反應(yīng)的次數(shù)，最后得到最優(yōu)光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)為TiO2/15CdS/20CdSe/5ZnS，光電轉(zhuǎn)換效率為1.66％;金納米顆粒注入到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池中，光電轉(zhuǎn)換效率可以從1.66％增加到1.73％，提高了大約4.2％。