半導體納米結(jié)構(gòu)太陽電池的研究.pdf

1、隨著近現(xiàn)代微觀結(jié)構(gòu)（納米結(jié)構(gòu)尺度:＜10-7m）的制備技術(shù)與探測表征技術(shù)的日漸成熟，半導體納米結(jié)構(gòu)的許多其體材料形式所沒有的物理化學性能紛紛被研究、開發(fā)與利用。例如，在傳統(tǒng)的光電子器件的基礎(chǔ)上，通過使用納米材料的新結(jié)構(gòu)、新概念，可以得到傳統(tǒng)器件原本所達不到的性能水平（比如量子阱激光器更低的閾值電流要求、更窄的譜線寬度），或者是拓展出器件新的應用領(lǐng)域（比如發(fā)光譜可變的場效應碳納米管發(fā)光二極管）。本論文的研究集中于太陽電池這一偏重將光輻射能

2、量轉(zhuǎn)換為電能的半導體器件，著眼于目前廣受關(guān)注的能源危機與環(huán)境問題，通過一系列對于新型敏化太陽電池的光陽極基底（TiO2多孔膜，TiO2納米管陣列）和敏化劑（染料，PbS量子點）的制備、表征、改性、應用研究，取得了很多對敏化電池的改進與發(fā)展有重要促進作用的結(jié)論，對TiO2納米管陣列和PbS量子點以外其他的納米材料、納米結(jié)構(gòu)的制備也有很大的借鑒意義。
　　目前，清潔而可持續(xù)的太陽能的發(fā)電利用主要是由晶硅電池實現(xiàn)的，不過由于高成本問題，

3、大規(guī)模光伏發(fā)電還是受到經(jīng)濟上的制約，因此，很多學術(shù)研究將目標定位在了效率上能和晶硅電池比擬、成本上又低得多的新型電池上，其中，敏化電池是一種很有價值的新概念電池。它的結(jié)構(gòu)與載流子轉(zhuǎn)移輸運機理與常規(guī)的pn結(jié)構(gòu)造及其內(nèi)建電場原理不同，依靠載流子自發(fā)的向低能級轉(zhuǎn)移的過程完成電子（或是空穴）輸運，其光吸收材料與載流子輸運材料也彼此獨立。傳統(tǒng)上，光陽極是由TiO2納米晶多孔膜通過涂覆方式空間置構(gòu)的，但其無序的結(jié)構(gòu)易導致載流子在光陽極內(nèi)部發(fā)生散射，

4、增加暗電流，降低量子效率。如果使用在豎直方向上有序的TiO2納米結(jié)構(gòu)陣列代替多孔結(jié)構(gòu)，很可能會在敏化電池的光學、電學性能平衡性上取得突破。
　　在眾多TiO2的導向性納米結(jié)構(gòu)中，納米管陣列(nanotube arrays，NTAs)是一種豎直方向上高度有序，二維平面方向上周期循環(huán)分布，空間結(jié)構(gòu)高度可調(diào)的存在形式。這種奇異的結(jié)構(gòu)賦予了鈦管陣列與眾不同的特性，使其在太陽電池、光催化器件、傳感器以及超級電容器等領(lǐng)域有著重要的發(fā)展前景。目

5、前，通過電化學系統(tǒng)制備TiO2 NTAs已經(jīng)非常成熟，重復性高、可控性好。不過可惜的是，關(guān)于自組織過程的基本原理問題仍缺少一種一錘定音的結(jié)論，這種機理上的不了解也很大程度上影響了我們對于TiO2 NTAs更靈活、更具有創(chuàng)造性的調(diào)控。而在管基的敏化電池應用方面，不管是染料敏化的(dye-sensitized)還是量子點敏化的(quantum dots-sensitized)，其效率均未超過基于多孔膜的敏化電池。
　　本文中，我們首先

6、對于納米管的可控性操作做了基礎(chǔ)研究和機理分析，掌握了氧化時間、氧化電壓、電解液成分等電化學實驗條件對于TiO2 NTAs形貌的影響，為隨后的敏化電池中光陽極的應用打下基礎(chǔ)。更深入的，我們捕捉到了氧化-分解過程中宏觀電流變動與微觀離子濃度變動的對應關(guān)系，建立了新的離子漂移與擴散機制鈦管生長理論，設(shè)計出一些宏觀上就能方便實現(xiàn)的調(diào)制手段來解決納米管的改良問題和新結(jié)構(gòu)的制備問題，制備出特別光滑、高導向性和致密性的TiO2 NTAs。在的制備速度

7、上，這些調(diào)制手段也有明顯的影響，納米管生長速度可以從20μm/h加快到122μm/h，增幅超過5倍。
　　其次，我們對基于TiO2 NTAs的染料敏化太陽電池(dye-sensitizedsolar cells，DSSCs)進行了性能改進的研究。通過構(gòu)造納米管新的空間次級結(jié)構(gòu)來營造更大的表面積，最合適的HF水溶液所修飾的樣品比未經(jīng)處理的對照樣品有超過35％的效率提升;進一步結(jié)合TiCl4修飾與物理調(diào)制以抵消HF處理所帶來的管壁連續(xù)

8、性受破壞等電學性能上的不利影響，光背入射式染料敏化電池的效率最終達到了4.35％，比參比樣品高出114％?；谶@樣的增幅效果，如果能夠結(jié)合電池其他關(guān)鍵部分的發(fā)展，管基染料敏化電池的效率還能進一步得到提升。
　　最后，我們還對基于TiO2 NTAs的PbS量子點敏化太陽電池(quantum dots-sensitized solar cells，QDSSCs)進行了性能改進的研究，并且首次實現(xiàn)了其效率超過多孔膜電池的轉(zhuǎn)換效率。高效P