基于硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體的量子點敏化太陽能電池.pdf

1、近年來,太陽能電池的研究得到迅猛發(fā)展,但是現(xiàn)有的新型太陽能電池仍然面臨性價比低、壽命短等問題,離大規(guī)模商品化尚有一定距離。研究開發(fā)新型的高效率、低成本的太陽電池仍是當(dāng)前太陽能利用領(lǐng)域努力的方向。其中,新一代太陽能電池——量子點敏化太陽能電池(QDSSC)由于具備高理論轉(zhuǎn)換效率和低生產(chǎn)成本等潛在優(yōu)點,正在引起研究者的廣泛關(guān)注。
　　 量子點敏化太陽能電池是一種新型太陽能電池,其制作工藝簡單、價格低廉、穩(wěn)定性好,是繼染料敏化太陽能電

2、池后又一與硅基太陽能電池有競爭力的電池。然而,目前QDSSC的光電轉(zhuǎn)換效率仍然遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)太陽能電池。因此,提高QDSSC的光電轉(zhuǎn)換效率是目前研究的重點。QDSSC主要由吸附量子點的光陽極、電解質(zhì)和對電極三部分組成,任何一部分的性能及三者間的匹配,都會影響電池的轉(zhuǎn)換效率和壽命。本論文分別從光陽極和對電極兩方面入手,對基于硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響因素進(jìn)行研究,主要包括以下兩個部分的工作:
　　 1.CdSe和CdS

3、共敏化ZnO納米棒陣列電極的制備及其光電化學(xué)性能
　　 (1)采用電化學(xué)沉積法在FTO基底沉積ZnO納米棒(NRs)陣列為光陽極基體材料,然后分別采用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法和化學(xué)浴沉積法依次沉積CdS和CdSe量子點層,得到CdSe和CdS共敏化ZnO納米棒陣列電極。運(yùn)用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X-射線衍射譜(XRD)、紫外可見吸收光譜(UV-Vis)和熒光光譜(PL)對其形貌、晶型結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表

4、征,并對其光電化學(xué)性能進(jìn)行研究。
　　 (2)分別以CdS、CdSe以及CdS和CdSe共敏化的ZnO納米陣列為光陽極、多硫化物氧化還原電對Na2S/Na2Sx為電解質(zhì)、Pt為對電極構(gòu)建太陽能電池,對影響其光電轉(zhuǎn)換效率的因素進(jìn)行初步探究。
　　 2.CoS對電極在量子點敏化太陽能電池中的應(yīng)用
　　 (1)分別采用電化學(xué)沉積法和化學(xué)浴沉積法在FTO沉積CoS薄膜,制得CoS對電極。運(yùn)用SEM和電子能譜(EDS)表征

5、薄膜形貌和組分,采用電化學(xué)阻抗(EIS)和電極/多硫化物氧化還原電對界面的極化曲線表征其電化學(xué)性能。比較了沉積和熱處理溫度等條件對化學(xué)浴沉積法制得的CoS電極電化學(xué)性能的影響。
　　 (2)構(gòu)筑以CdSe/CdS/ZnO NTs為光陽極的QDSSC,研究了對電極材料對QDSSC光電轉(zhuǎn)換效率的影響。
　　 本論文研究主要取得以下結(jié)果:
　　 一、CdSe和CdS共敏化ZnO納米棒陣列電極的制備及其光電化學(xué)性能

6、>　　 1.恒電流陰極還原電化學(xué)沉積法制備的ZnO為較為覆蓋均勻且取向一致的一維六方纖鋅礦型納米棒陣列(ZnO NRs),具有高度的沿c-軸擇優(yōu)生長,對可見光透明,表面態(tài)較少,可將其應(yīng)用于量子點敏化太陽能電池中。
　　 2.利用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法和化學(xué)浴沉積法可以在ZnO納米棒表面依次沉積CdS和CdSe量子點。實驗結(jié)果表明,共敏化后可以拓寬對太陽光譜的吸收范圍,增加吸收強(qiáng)度;飽和光電流密度增加,光電流響應(yīng)范圍增加。

7、　　 3.CdS和CdSe共敏化的ZnO NRs基QDSSC比單純CdS和CdSe敏化ZnONRs為光陽極的QDSSC的光電轉(zhuǎn)換效率都有了明顯的提高。說明CdS和CdSe共敏化后由于Fermi能級重排形成的階梯狀能帶結(jié)構(gòu)有利于光生電子的注入,使電池的轉(zhuǎn)換效率增大。
　　 4.以CdSe和CdS共敏化ZnO納米陣列的復(fù)合電極為光陽極,構(gòu)建三明治結(jié)構(gòu)太陽能電池。
　　 (1)通過對CdSe沉積次數(shù)對電池光電轉(zhuǎn)換效率影響的研

8、究發(fā)現(xiàn),電池的轉(zhuǎn)換效率隨CdSe沉積次數(shù)的增加先增加后減小,CdSe沉積兩次時得到電池的轉(zhuǎn)換效率最高,為1.54％。
　　 (2)不同方向的照射方式影響電池的轉(zhuǎn)換效率,由實驗結(jié)果可以看出,從背面照射得到電池的短路光電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)均小于從正面照射的。但是從背面照射得到的電池的填充因子(FF)要大于從正面照射的。
　　 (3)以ZnO納米管為光陽極基體材料的QDSSC的光電轉(zhuǎn)換效率大于ZnO納米棒QD

9、SSC的。
　　 二、CoS對電極在量子點敏化太陽能電池中的應(yīng)用
　　 1.CoS對電極的制備
　　 (1)電化學(xué)沉積得到片狀結(jié)構(gòu)的CoS薄膜。EIS結(jié)果表明:CoS電極對多硫化物氧化還原反應(yīng)具有較Pt電極高的催化活性。
　　 (2)化學(xué)浴沉積法在FTO表面得到片狀結(jié)構(gòu)的CoS薄膜,通過改變沉積溫度和熱處理溫度,將不同條件下制備的電極構(gòu)筑成對稱的夾層電化學(xué)電池,使用EIS和電極/多硫化物電對界面的極化曲線

10、,研究了對電極對多硫化物電解質(zhì)的氧化還原催化活性,結(jié)果表明在60℃下未經(jīng)熱處理的CoS在多硫化物電解質(zhì)具有較小的Rd和同一電壓下較大的流密度,說明具有較高的催化活性。2.以CdS和CdSe共敏化ZnO NTs為光陽極、CoS為對電極的QDSSC
　　 (1)CdS和CdSe共敏化ZnO NTs為光陽極,CoS為對電極構(gòu)的QDSSC在AM1.5模擬太陽光下達(dá)到2.94％。
　　 (2)比較了Pt/FTO、Au/FTO、電化