ZnO/CdTe核壳纳米棒阵列太阳能电池的制备及性能研究

【摘要】：能源需求、环境污染和温室效应等问题迫切要求人们开发利用太阳能等绿色可再生能源。制备低成本高效率的太阳能电池成为大规模利用太阳能的关键。核壳纳米棒阵列太阳能电池有抗反射和陷光效应,可以增强太阳能电池的光吸收。另外,核壳纳米棒阵列太阳能电池的光吸收沿轴向方向,而电荷分离沿径向方向,有利于太阳能电池在增强光吸收的同时实现快速的电荷分离。同时,核壳纳米棒阵列结构为分离后的载流子提供直接输运通道,可提升载流子输运收集的效率。此外,核壳纳米棒阵列太阳能电池可以利用低迁移率的材料,并且可以采用低成本、大规模的制备方法,易获得高性价比的太阳能电池,因此是一种理想的太阳能电池架构。但是,目前核壳纳米棒阵列太阳能电池的性能并没有人们预期的那么高,在界面调控、电子-空穴再复合的抑制以及材料结晶性能的优化等方面还存在很大的提升空间。n型ZnO纳米棒由于其高电子迁移率,且易于通过溶液法大规模制备,经常被用作太阳能电池中的电子输运材料;p型CdTe拥有单结太阳能电池理想的带隙(～1.5eV)和很大的光吸收系数,且同ZnO形成type-II的能级接触,有利于电子空穴对的分离。因此,我们的工作主要集中在以ZnO/CdTe核壳纳米棒阵列太阳能电池为目标,通过界面调控和优化制备条件提升电池的光伏性能并探求相关的物理机理。本论文共分五章,各章内容简介如下。在第一章中,我们介绍了太阳能电池的工作原理、表征和参数,并分析了影响太阳能电池性能的相关因素。总结和比较了核壳纳米棒阵列太阳能电池的优势、存在的挑战以及我们研究工作的选题。在第二章中,我们主要研究CdS界面插入层对ZnO/CdTe核壳纳米棒太阳能电池的影响。我们采用连续离子层吸附与反应(SILAR)方法,在水热法生长的ZnO纳米棒上直接沉积p型CdTe壳层并填满阵列空隙,成功制备出固态无机ZnO/CdTe核壳纳米棒阵列太阳能电池。随后,我们在ZnO/CdTe界面用SILAR方法引入CdS层,研究了不同厚度CdS层对太阳能电池性能的影响。我们发现：在AM 1.5G模拟太阳光测试条件下,具有4nm CdS界面层的ZnO/CdS/CdTe核壳纳米棒阵列电池的能量转换效率是没有界面层电池的三倍。系统的分析表明：ZnO/CdS/CdTe构成阶梯状能级排列,能够促进电子从CdTe分离到ZnO; CdS层能够钝化ZnO纳米棒的表面缺陷,减少电子空穴在输运收集过程中的损失,提升电池的短路电流密度：此外,CdS钝化还能提升ZnO的准费米能级,从而增大电池的开路电压。在第三章中,我们主要研究界面Ti02层对ZnO/CdTe太阳能电池开路电压的影响。我们通过原子层沉积(ALD)的方法在ZnO/CdTe的界面引入一层非晶TiO2层,研究了ZnO/TiO2/CdTe的界面特性和电池的光伏性能,尤其是电池开路电压的关联性。系统的实验表明：TiO2层作为界面的钝化和阻挡层,对太阳能电池的光吸收和电荷分离过程几乎没有影响,但能够明显抑制电子和空穴在ZnO/CdTe界面的再复合,从而减小电池的复合电流,延长电子载流子的寿命,大幅提升电池的开路电压和光电转换性能。在AM1.5G模拟太阳光测试条件下,ZnO/TiO2/CdTe电池光电转换效率可达ZnO/CdTe电池的六倍。在第四章中,我们侧重于ZnO/CdTe核壳纳米棒阵列太阳能电池性能的优化。首先,我们研究了不同含量CdCl2的处理对CdTe壳层的结晶质量和太阳能电池性能的影响。其次,我们研究了在用SILAR生长CdTe时,其第一个循环顺序(Cd-Te和Te-Cd)对电池性能的影响。第三,我们研究了不同温度退火对电池性能的影响,发现350℃退火条件最好,能够使电池的光电转换效率达到3.78%,较低或更高的温度都会造成电池性能的下降；此外,我们还研究了核壳纳米棒阵列太阳能电池的光伏性能随时间的变化,发现核壳电池具有较好的稳定性。在第五章中,我们回顾了整体的研究工作,并对未来可能的研究工作做了展望。 【关键词】：ZnO CdTe 核壳纳米棒 太阳能电池 界面
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-45
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 太阳能电池基础13-26
• 1.2.1 太阳能电池工作原理13-14
• 1.2.2 太阳能电池的表征及参数14-18
• 1.2.3 影响太阳能电池性能的因素18-26
• 1.3 核壳纳米棒阵列太阳能电池26-32
• 1.3.1 太阳能电池的架构26-27
• 1.3.2 核壳纳米棒阵列太阳能电池的优势27-32
• 1.4 本论文的选题和研究内容32-37
• 1.4.1 核壳纳米棒阵列太阳能电池的挑战32-34
• 1.4.2 太阳能电池材料的选择34-35
• 1.4.3 本论文的研究内容35-37
• 参考文献37-45
• 第2章 CdS界面层对ZnO/CdTe核壳纳米电池性能的调控45-67
• 2.1 引言45-48
• 2.2 实验描述48-50
• 2.2.1 太阳能电池的制备48-50
• 2.2.2 样品和电池的表征50
• 2.3 结果和讨论50-62
• 2.3.1 样品的形貌、结构、成份和光吸收表征50-54
• 2.3.2 ZnO/CdS/CdTe核壳纳米棒电池的光电转换特性54-56
• 2.3.3 ZnO/CdS/CdTe核壳纳米棒电池性能提升的讨论56-62
• 2.4 本章小结62-63
• 参考文献63-67
• 第3章 TiO_2钝化层对ZnO/CdTe核壳纳米电池性能的调控67-89
• 3.1 引言67-69
• 3.2 实验描述69-71
• 3.2.1 ZnO/TiO_2/CdTe太阳能电池的制备69-70
• 3.2.2 样品和太阳能电池的表征70-71
• 3.3 结果和讨论71-85
• 3.3.1 样品的形貌、结构和成分表征71-73
• 3.3.2 ZnO/TiO_2/CdTe太阳能电池的光电转换性能表征73-74
• 3.3.3 太阳能电池的短路电流密度分析74-77
• 3.3.4 太阳能电池的开路电压和电子寿命分析77-85
• 3.4 本章小结85-86
• 参考文献86-89
• 第4章 核壳纳米棒阵列太阳能电池的优化89-113
• 4.1 引言89-91
• 4.2 实验描述91-93
• 4.2.1 太阳能电池的制备91-92
• 4.2.2 实验仪器及表征92-93
• 4.3 结果与讨论93-109
• 4.3.1 改变CdCl_2处理条件对太阳能电池性能的影响93-96
• 4.3.2 不同SILAR生长顺序的影响96-101
• 4.3.3 不同退火温度制备的ZnO/CdTe太阳能电池的性能101-103
• 4.3.4 综合改善ZnO/CdTe太阳能电池性能103-105
• 4.3.5 改进电池中CdTe-Au接触的探索105-107
• 4.3.6 ZnO/CdTe核壳纳米棒阵列太阳能电池的稳定性107-109
• 4.4 本章小结109-110
• 参考文献110-113
• 第5章 回顾与展望113-115
• 攻读博士期间发表论文情况115-117
• 致谢117-118

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