基于TiO_2纳米管阵列的量子点敏化太阳能电池的研究

【摘要】：本论文以提高QDSSCs电池效率为目的,研究了Ti02基底的纳米结构和量子点敏化剂对QDSSCs产生的光伏影响。通过研究不同Ti02纳米结构基底(包括纳米管,纳米线和纳米线／管等阵列结构)和不同敏化剂(包括CdS,CdSe, CdSe/CdS,ZnxCd1-xSe,CdSxSe1-x)对QDSSCs光伏性能的影响,探索了提高QDSSCs电池效率的方法,最终得到了效率可达3.26%的量子点敏化太阳能电池。主要的研究成果包括以下几个方面：(1)探索了电化学阳极氧化法制备Ti02纳米管阵列的实验条件,研究了乙二醇电解液中NH4F的含量和阳极氧化电压对Ti02纳米管阵列的结构和形貌的影响。(2)以两次电化学阳极氧化和连续离子层吸附反应(SILAR)的方法,制备了CdSe/CdS共敏Ti02纳米管太阳能电池。详细地讨论了光阳极的制备过程和它的光电化学性质。研究结果表明CdSe/CdS量子点,ZnS钝化层以及光阳极受光对QDSSCs光伏性能有提高作用。(3)利用离子交换法制备了ZnxCd1-xSe合金量子点敏化的Ti02纳米管(NT)阵列太阳能电池。研究结果表明ZnxCd1-xSe量子点中Cd元素含量的增加能够提高电池效率。(4)改变第二次电化学阳极氧化反应电压以制备出具有不同纳米结构的Ti02薄膜,并将其作为基底材料应用在QDSSCs中。采用一步水热反应,直接将CdSxSe1-x合金量子点敏化在不同纳米结构的Ti02薄膜上,其中包括Ti02 NT(纳米管),Ti02 NW(纳米线)以及TiO2 NW/NT(纳米线／纳米管)。研究了CdSxSe1-x合金量子点中S和Se元素的含量变化对电池吸光性质以及光伏性能的影响,同时还研究了Ti02纳米结构薄膜对CdSxSe1-x量子点敏化太阳能电池光伏性能的影响。(5)利用两步电化学阳极氧化的方法制备了TiO2 NW/NT薄膜,并通过SILAR法制备了CdSe/CdS量子点敏化TiO2 NW/NT太阳能电池。研究了CdSe/CdS量子点共敏化的TiO2 NW/NT太阳能电池有更好的光伏性能。(6)结合连续离子层吸附反应和水热反应制备了CdSxSe1-x/Mn-CdS/TiO2 NT太阳能电池。系统地研究了CdSxSe1-x/Mn-CdS/TiO2 NT太阳能电池的J-V性能。进一步沉积CdSe形成CdSe(3)/CdSxSe1-x/Mn-CdS/Ti02 NT太阳能电池使电池效率提高到3.26%。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 二氧化钛纳米管 纳米线 电化学阳极氧化 水热反应
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ134.11;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 量子点太阳能电池概述13-19
• 1.2.1 QDSSCs的结构和工作原理15-17
• 1.2.2 QDSSCs的电荷传递及复合17-19
• 1.3 QDSSCs的光阳极材料及合成19-26
• 1.3.1 量子点的合成及敏化方法20-22
• 1.3.2 基底材料及制备方法22-23
• 1.3.3 基于阳极氧化TiO_2纳米管的光电极23-26
• 1.4 QDSSCs的电解质溶液26-27
• 1.5 QDSSCs的对电极27-28
• 1.6 本文的研究意义及内容28-30
• 第二章 阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列及其影响形貌因素研究30-43
• 2.1 前言30-31
• 2.2 实验部分31-34
• 2.2.1 实验设备及材料31
• 2.2.2 阳极氧化Ti箔制备TiO_2纳米管阵列31-33
• 2.2.3 产物的表征33-34
• 2.3 结果与讨论34-41
• 2.3.1 NH_4F在电解液中的含量对TiO_2纳米管形貌的影响34-36
• 2.3.2 阳极氧化电压对TiO_2纳米管形貌的影响36-39
• 2.3.3 TiO_2纳米管的晶体结构和组成39-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第三章 CdSe/CdS量子点共敏化TiO_2纳米管太阳能电池的制备及光伏性能研究43-67
• 3.1 前言43-44
• 3.2 实验部分44-47
• 3.2.1 实验材料44
• 3.2.2 透明TiO_2纳米管阵列薄膜光阳极的制备44-45
• 3.2.3 CdSe/CdS量子点敏化的TiO_2 NT光阳极的制备45
• 3.2.4 CdSe/CdS/TiO_2 NT表面ZnS钝化层的制备45-46
• 3.2.5 对电极的制备及太阳能电池的组装46
• 3.2.6 样品的表征及电池测试46-47
• 3.3 结果与讨论47-65
• 3.3.1 TiO_2 NT薄膜的形貌与结构47-52
• 3.3.2 透明TiO_2 NT薄膜的XRD分析52-53
• 3.3.4 CdSe/CdS/TiO_2 NT阵列的形貌表征53-56
• 3.3.5 CdSe/CdS/TiO_2 NT的化学成分组成56
• 3.3.6 CdSe/CdS/TiO_2 NT的吸光性分析56-58
• 3.3.7 量子点敏化TiO_2 NT太阳能电池的光伏性能58-63
• 3.3.8 样品太阳能电池的IPCE63-65
• 3.4 本章小结65-67
• 第四章 离子交换法制备Zn_xCd_(1-x)Se/TiO_2纳米管阵列光阳极及其光伏性能的研究67-85
• 4.1 前言67-68
• 4.2 实验部分68-70
• 4.2.1 实验材料68
• 4.2.2 锐钛矿TiO_2 NT薄膜的制备与分离68-69
• 4.2.3 在FTO导电玻璃上固定TiO_2 NT薄膜制备光阳极69
• 4.2.4 离子交换法制备Zn_xCd_(1-x)Se/TiO_2NT光阳极69
• 4.2.5 Pt/FTO对电极的制备及电池组装69-70
• 4.2.6 样品的表征及电池测试70
• 4.3 结果与讨论70-83
• 4.3.1 锐钛矿TiO_2 NT薄膜的微观形貌和结构分析70-73
• 4.3.2 TiO_2NT薄膜的XRD分析73-74
• 4.3.3 Zn_xCd_(1-x)Se/TiO_2 NT阵列的形貌及组成分析74-76
• 4.3.4 Zn_xCd_(1-x)Se的元素组成分析76-78
• 4.3.5 Zn_xCd_(1-x)Se/TiO_2 NT太阳能电池的光伏性能78-79
• 4.3.6 Zn_xCd_(1-x)Se/TiO_2 NT阵列光阳极吸光性能分析79-81
• 4.3.7 Zn_xCd_(1-x)Se/TiO_2 NT太阳能电池的IPCE分析81-82
• 4.3.8 Zn_xCd_(1-x)Se/TiO_2 NT太阳能电池的能带结构82-83
• 4.4 本章小结83-85
• 第五章 Zn_xCd_(1-x)Se/TiO_2合金量子点敏化的TiO_2纳米结构太阳能电池的制备及光伏性能研究85-110
• 5.1 前言85
• 5.2 实验部分85-89
• 5.2.1 实验材料86
• 5.2.2 阳极氧化制备TiO_2纳米结构薄膜86-87
• 5.2.3 纳米结构TiO_2薄膜光阳极的制备87
• 5.2.4 CdS_xSe_(1-x)合金量子点在光阳极上的敏化87-88
• 5.2.5 对电极和电池组装88-89
• 5.2.6 样品的表征及电池性能测试89
• 5.3 结果与讨论89-109
• 5.3.1 纳米结构TiO_2 NT,NW/NT及NW薄膜的形成89-92
• 5.3.2 TiO_2NT,TiO_2NW/NT和TiO_2 NW薄膜的XRD分析92-94
• 5.3.3 CdS_xSe_(1-x)合金量子点的沉积94-98
• 5.3.4 CdS_xSe_(1-x)合金量子点的XRD分析98-100
• 5.3.5 样品的紫外-可见吸收光谱分析100-102
• 5.3.6 CdS_xSe_(1-x)/TiO_2NW/NT太阳能电池的PCE102-103
• 5.3.7 CdS_xSe_(1-x)/TiO_2 NW/NT太阳能电池的光伏性能103-104
• 5.3.8 TiO_2纳米结构(NT,NW/NT和NW)对光伏性能的影响104-107
• 5.3.9 电池的EIS分析107-108
• 5.3.10 CdS_(0.47)Se_(0.53)/TiO_2 NW/NT太阳能电池光电流稳定性108-109
• 5.4 本章小结109-110
• 第六章 CdSe/CdS量子点共敏化TiO_2纳米线/纳米管(NW/NT)太阳能电池和光伏性能研究110-131
• 6.1 前言110-111
• 6.2 实验部分111-113
• 6.2.1 实验材料111
• 6.2.2 制备TiO_2 NW/NT薄膜111
• 6.2.3 制备CdSe/CdS/TiO_2NW/NT光阳极111-112
• 6.2.4 对电极和电池组装112-113
• 6.2.5 样品的表征和电池性能测试113
• 6.3 结果与讨论113-129
• 6.3.1 TiO_2 NW/NT薄膜电镜分析113-116
• 6.3.2 TiO_2 NW/NT薄膜样品的XRD和元素组成116-117
• 6.3.3 TiO_2 NW/NT的形成机理117-119
• 6.3.4 CdSe/CdS/TiO_2 NW/NT的纳米结构119-121
• 6.3.5 CdSe/CdS/TiO_2 NW/NT的元素组成121-122
• 6.3.6 样品光阳极的紫外-可见光谱分析122-124
• 6.3.7 量子点敏化太阳能电池的J-V性能124-127
• 6.3.8 CdSe(6)/CdS(9)敏化的TiO_2NW/NT和TiO_2NT电池IPCE127-129
• 6.4 本章小结129-131
• 第七章 CdS_xSe_(1-x)/Mn-CdS/TiO_2纳米管阵列光阳极的制备及其光伏性能研究131-154
• 7.1 前言131-132
• 7.2 实验部分132-135
• 7.2.1 实验材料132
• 7.2.2 准备TiO_2纳米管阵列132
• 7.2.3 在TiO_2 NT上敏化CdS_xSe_(1-x)/Mn-CdS量子点132-134
• 7.2.4 在CdS_xSe_(1-x)/Mn-CdS/TiO_2 NT光阳极表面沉积CdSe层134
• 7.2.5 电池的组装134
• 7.2.6 样品表征及电池性能测试134-135
• 7.3 结果与讨论135-153
• 7.3.1 形貌和组成的表征135-139
• 7.3.2 TiO_2NT和CdS_xSe_(1-x)合金量子点的XRD139-140
• 7.3.3 CdS_xSe_(1-x)/Mn-CdS/TiO_2 NT光阳极的形貌和组成140-142
• 7.3.4 紫外-可见吸收光谱分析142-144
• 7.3.5 太阳能电池的J-V性能144-149
• 7.3.6 样品太阳能电池的IPCE149-150
• 7.3.7 样品太阳能电池的EIS分析150-152
• 7.3.8 CdSe(3)/CdS_(0.47)S_(0.53)/Mn-CdS/TiO_2 NT太阳能电池的稳定性152-153
• 7.4 本章小结153-154
• 第八章 总结154-157
• 参考文献157-173
• 读博期间发表论文情况说明173-175
• 致谢175

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