CdS量子點(diǎn)敏化ZnO納米棒太陽能電池的改性研究與性能優(yōu)化.pdf

1、近年來，納米材料已成為光伏器件的重要組成材料。量子點(diǎn)敏化太陽能電池(QDS SCs)作為第三代太陽能光伏電池，是目前最尖端的太陽能電池之一。為了滿足對(duì)清潔能源的需求，急需探索新方法捕獲具有高轉(zhuǎn)化效率的入射光子，以提高QDSSCs光電性能。一維納米結(jié)構(gòu)的ZnO納米半導(dǎo)體材料具有良好的帶隙能及較高的電子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，是重要的光伏半導(dǎo)體材料。但目前量子點(diǎn)敏化ZnO光電陽極的形式單一且轉(zhuǎn)化效率不高，因此，本論文采用水熱法制備ZnO納米棒，以Cd

2、S量子點(diǎn)敏化ZnO納米棒(ZnO/CdS)光電陽極為研究重點(diǎn)，分別對(duì)CdS量子點(diǎn)、ZnO納米棒及ZnO/CdS界面層進(jìn)行改性，分別制備了ZnO/CdS、ZnO/CdSe@CdS、ZnO/ZnS/CdS及TiO2/ZnO/CdS光電陽極材料;以ZnO/CdS作為光電陽極，制備了TiO2/PbS納米管并首次被用作對(duì)電極材料，研究了由它們組裝的QDSSCs的光電性能。
　　本文通過X射線衍射(XRD)、電子掃描電鏡(SEM)、高倍透射電

3、鏡(HRTEM)、紫外吸收光譜(UV-vis)、熒光發(fā)射光譜(PL)及傅立葉紅外光譜(FT-IR)等方法對(duì)制備的量子點(diǎn)、光電陽極及對(duì)電極材料進(jìn)行表征分析。通過使用ECS電化學(xué)工作站以及IV特性測試系統(tǒng)等研究分析了QDSSCs系統(tǒng)的光電性能。結(jié)論如下:
　　(1)通過一步水相法以L-半胱氨酸為穩(wěn)定劑合成了水溶性的CdS量子點(diǎn)，通過控制反應(yīng)回流時(shí)間得到了不同尺寸的CdS量子點(diǎn)，采用直接吸附法(DA)制備得到ZnO/CdS光電陽極材料。

4、隨著CdS量子點(diǎn)合成時(shí)間的延長，CdS量子點(diǎn)粒徑增大，量子點(diǎn)吸收范圍拓寬，提高了ZnO/CdS光電陽極的光捕獲能力。由ZnO/CdS光電陽極組裝的太陽能電池在360-480nm范圍內(nèi)量子效率最大值達(dá)到24.16％，且光電轉(zhuǎn)化效率最大值達(dá)到0.67％，是未敏化的ZnO光電陽極組裝的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的2.5倍。
　　(2)利用一步水相法合成了由巰基丙酸(MPA)穩(wěn)定的CdSe@CdS核殼量子點(diǎn)，并使用DA法制備得到ZnO/CdS

5、e@CdS光電陽極材料。CdSe@CdS核殼量子點(diǎn)形貌近似球形，平均尺寸為5-6nm。當(dāng)CdSe@CdS量子點(diǎn)敏化時(shí)間為6h時(shí)，ZnO/CdSe@CdS(6h)光電陽極材料組裝的太陽能電池的量子效率在540nm附近達(dá)到最大值52.87％，且光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值1.21％，是未敏化的ZnO光電陽極組裝的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的4.13倍。
　　(3)利用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法(SILAR)制備得到ZnO/ZnS，并利用DA法制備得到

6、ZnO/ZnS/CdS光電陽極。當(dāng)ZnS致密層沉積周期為9時(shí)，ZnO/ZnS(9)/CdS光電陽極組裝的太陽能電池的量子效率在波長為300-550nm范圍內(nèi)達(dá)到最大值30.80％，且光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值1.53％，分別是未敏化的ZnO納米棒和ZnO/CdS光電陽極組裝的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的6倍和3倍。說明適當(dāng)厚度的ZnS層不僅會(huì)抑制電子與空穴的復(fù)合反應(yīng)，而且會(huì)有效鈍化ZnO納米棒表面，增加CdS量子點(diǎn)的負(fù)載量，提高光電陽極的光捕獲

7、能力，進(jìn)而增強(qiáng)QDSSCs的光電性能。
　　(4)利用陽極氧化法合成了排列高度有序的TiO2納米管陣列，通過水熱法合成了TiO2/ZnO納米復(fù)合材料，采用SILAR法制備得到TiO2/ZnO/CdS光電陽極。當(dāng)ZnO沉積時(shí)間為3h時(shí)，TiO2/ZnO(3h)光電陽極組裝的太陽能電池的量子效率達(dá)到最大值12.32％，且光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值0.33％，分別是TiO2納米管和ZnO納米棒光電陽極組裝的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的2.78倍

8、和1.64倍。此外，當(dāng)CdS量子點(diǎn)沉積周期為6時(shí)，由TiO2/ZnO/CdS(6)光電陽極組裝的太陽能電池的量子效率在360-600nm范圍內(nèi)達(dá)到最大值40.00％，且光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值2.71％，是TiO2/ZnO及ZnO光電陽極組裝的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的8.21倍和13.55倍。
　　(5)利用陽極氧化法合成了排列高度有序的TiO2納米管陣列，采用SILAR法制備得到TiO2/PbS復(fù)合材料，以此作為對(duì)電極，并以ZnO