金納米晶合成及其在量子點敏化太陽能電池中的應用.pdf

1、近幾年來，量子點敏化太陽能電池(QDSSCs)由于其光電轉(zhuǎn)換效率的快速提升，日益受到人們的關注。目前，Mn摻雜的CdS/CdSe共敏量子點敏化太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到5.4％，顯示出較好的應用前景。另外，由于量子點具有激子倍增效應(MEG)，即吸收一個光子可以產(chǎn)生多個電子-空穴對，其理論光電轉(zhuǎn)換效率高達44％，有望突破Schockley-Queisser極限(31％)。
　　盡管在量子點敏化太陽能電池領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％，依然遠遠落后于染料敏化太陽能電池報道的最高轉(zhuǎn)換效率(～11.5％)。主要原因在于其器件結(jié)構(gòu)尚需改善、光吸收尚需進一步增強、載流子復合問題尚需進一步解決。近年來，人們嘗試在量子點敏化太陽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)材料獨特的光電特性提高量子點敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在量子點敏化太陽能電池中，通常采用介孔的納米顆粒薄膜作為其光陽極，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，這種傳輸方式會造成在納米顆粒界面之間產(chǎn)生嚴重的復合，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，通過在量子點敏化太陽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)的量子點敏化太陽能電池的性能并沒有預期的好，主要是由于其較低的比表面積使得量子點的擔載量較低。因此，增強光吸收是提高一維納米結(jié)構(gòu)基量子敏化太陽能電池

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(LSPR)實現(xiàn)了薄膜太陽能電池的光吸收與光電流增強。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，這種散射效應可以有效地增加光子在太陽能電池器件中的傳播路徑，從而達到增強太陽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，在金屬/半導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肖特基勢壘而注入到半導體導帶中。這種等離子體共振“熱電子”注入效應被廣泛應用在光催化和聚合物薄膜太陽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)象應用于一維納米結(jié)構(gòu)材料基量子點敏化太陽能電池中。
　　為解決一維納米結(jié)構(gòu)材料基量子點敏化太陽能電池中由于量子點擔載量較低

6、造成的光吸收較弱的問題，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納米棒的量子點敏化太陽電池中，期望能夠利用其等離子體共振效應在一定程度上增強光電轉(zhuǎn)換效率。具體開展了如下三個方面的研究工作:
　　(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時間，制備了尺寸為20 nm，分散性較好的球形金納米晶;采用晶種生長法，制備了長約為55nm、寬約20 nm的金納米棒。
　　(2)金納米晶

7、在量子點敏化太陽能電池中的應用:通過水熱合成法，以FTO為基底，在180℃生長TiO2納米棒陣列，成功制備了金紅石相的TiO2納米棒陣列;通過連續(xù)離子層吸附與化學水浴法制得TiO2/CdS/CdSe/ZnS光陽極，調(diào)節(jié)連續(xù)循環(huán)反應的次數(shù)，最后得到最優(yōu)光陽極結(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％。