量子点敏化太阳能电池：制备及光电转换性能的改进

【摘要】：太阳能的开发利用对解决能源危机和发展低碳经济都具有极其重要的意义。其中,新一代太阳能电池——量子点敏化太阳能电池由于具备高理论转换效率和低生产成本,引起了科学界的广泛关注。但迄今为止,量子点敏化太阳能电池的光电转换效率仍然远低于传统太阳能电池。 本文从材料角度出发,考虑材料本身缺陷、能级匹配及制备工艺对太阳能电池性能的影响,设计了硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)纳米异质结构作为光电转换材料,采用化学浴沉积和水热法合成技术,可控合成了硫化镉量子点及氧化锌纳米线阵列,并确定了最优工艺参数。 通过研究退火处理对CdS/ZnO量子点敏化太阳能电池转换效率的影响,我们发现退火温度和CdS量子点的层数对最终太阳能电池的性能有决定性的影响。经过退火处理后的太阳能电池的光电转换效率有了显著提升,可以归因于材料对太阳光吸收能力的增强、本身缺陷的减少以及CdS/ZnO之间扩散层的形成。 通过化学浴沉积和退火处理的结合使用,在ZnO表面获得了两种不同粒径的CdS量子点。两种CdS颗粒形成I型半导体后产生的共敏化作用使得电池性能有显著的提升。此研究证实,量子点的合理搭配可以有效提升量子点敏化太阳能电池的性能。 通过水热反应,制备了由CdS量子点堆积而成的三维多孔薄膜。利用此多孔薄膜作电池光阳极材料可以形成自敏化太阳能电池并实现光电有效转换。采用电沉积技术,可以在CdS多孔膜上沉积CdSe量子点,并形成由CdSe/CdS组成的共自敏化结构,使太阳能电池的性能得到进一步提升。 【关键词】：量子点敏化太阳能电池 硫化镉 氧化锌 硒化镉 退火处理
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-36
• 1.1 引言9-10
• 1.2 太阳能电池的分类10-16
• 1.2.1 硅基太阳能电池10-13
• 1.2.1.1 单晶硅太阳能电池11-12
• 1.2.1.2 多晶硅太阳能电池12
• 1.2.1.3 非晶硅太阳能电池12-13
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.3 聚合物太阳能电池14
• 1.2.4 光敏化太阳能电池14-16
• 1.3 量子点敏化太阳能电池的研究背景16-30
• 1.3.1 量子点敏化太阳能电池的优势16-20
• 1.3.1.1 量子限制效应16-18
• 1.3.1.2 碰撞离化效应与俄歇复合效应18-19
• 1.3.1.3 小带效应19-20
• 1.3.2 量子点敏化太阳能电池的组成20-24
• 1.3.2.1 透明导电玻璃21
• 1.3.2.2 氧化物半导体光电极21-22
• 1.3.2.3 光敏化剂22-23
• 1.3.2.4 电解质23-24
• 1.3.2.5 金属/导电玻璃对电极24
• 1.3.3 量子点敏化太阳能电池的工作原理24-26
• 1.3.4 量子点敏化太阳能电池的发展现状26-27
• 1.3.5 量子点合成及组装技术27-30
• 1.3.5.1 化学浴沉积法27-28
• 1.3.5.2 自组装单分子膜28-29
• 1.3.5.3 自组装单分子膜与化学浴沉积共联结组装法29-30
• 1.4 提高太阳能电池效率的方法30-34
• 1.4.1 优化光阳极纳米结构30-31
• 1.4.2 选择适当能带结构的量子点与氧化物半导体的匹配31-32
• 1.4.3 改善量子点与氧化物半导体界面的特性32-33
• 1.4.4 共敏化33-34
• 1.5 课题的提出及创新点34-36
• 1.5.1 课题的提出34
• 1.5.2 主要创新点34-36
• 第二章 实验原料、设备及性能表征手段36-47
• 2.1 实验原料36-37
• 2.2 实验设备37-39
• 2.3 表征手段39-47
• 2.3.1 太阳能电池性能测试39-45
• 2.3.1.1 测试条件39-40
• 2.3.1.2 太阳能电池参数40-42
• 2.3.1.3 太阳能电池的封装42-44
• 2.3.1.4 太阳能电池I-V 曲线的测定44-45
• 2.3.2 结晶相分析45
• 2.3.3 表面形貌分析45
• 2.3.4 元素分析45-46
• 2.3.5 微观结构分析46
• 2.3.6 紫外-可见吸收分析46-47
• 第三章 CdS 量子点敏化ZnO 纳米线的光阳极系统的构建47-58
• 3.1 前言47-48
• 3.2 实验部分48-50
• 3.2.1 光阳极ZnO 纳米线的制备48-49
• 3.2.2 CBD 法在ZnO 纳米线上生长CdS 量子点49-50
• 3.3 结果与讨论50-57
• 3.3.1 ZnO 纳米线的生长50-53
• 3.3.2 CBD 制备CdS 的工艺探索53-57
• 3.3.2.1 不同反应物浓度对比53-54
• 3.3.2.2 不同沉积次数对比54-56
• 3.3.2.3 不同沉积时间对比56-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第四章 退火处理对CdS/ZnO 太阳能电池效率的影响58-74
• 4.1 前言58-59
• 4.2 实验部分59-60
• 4.2.1 ZnO 纳米线的制备及CdS 量子点的沉积59
• 4.2.1.1 ZnO 纳米线的制备59
• 4.2.1.2 CBD 法在ZnO 纳米线上生长CdS 量子点59
• 4.2.2 样品的退火处理59-60
• 4.2.2.1 不同退火温度的对比实验59-60
• 4.2.2.2 共敏化CdS/ZnO 太阳能电池的制备60
• 4.3 结果与讨论60-73
• 4.3.1 退火处理对CdS/ZnO 太阳能电池的影响60-67
• 4.3.1.1 CdS/ZnO 微观结构及形貌表征60-62
• 4.3.1.2 退火处理对太阳能电池效率的影响62-64
• 4.3.1.3 退火处理提升电池性能的机理分析64-67
• 4.3.2 退火处理制备双尺寸CdS 共敏化太阳能电池67-73
• 4.3.2.1 样品的微观结构及吸收表征67-69
• 4.3.2.2 太阳能电池效率测试69-70
• 4.3.2.3 吸收归一化计算太阳能电池的输出功率70-72
• 4.3.2.4 不同尺寸的CdS 在电池中起到的作用72-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第五章 多孔自敏化太阳能电池构建及光电转换效率研究74-85
• 5.1 前言74-76
• 5.2 实验部分76-77
• 5.2.1 多孔CdS 薄膜的制备76
• 5.2.2 电沉积制备CdSe 纳米颗粒76-77
• 5.3 结果与讨论77-84
• 5.3.1 多孔CdS 薄膜的微观结构及形貌表征77-79
• 5.3.2 CdS 形貌对于CdSe/CdS 电池性能的影响79-80
• 5.3.3 CdSe/CdS 的退火处理80-81
• 5.3.4 电池性能提升的机理分析81-84
• 5.3.4.1 CdSe/CdS 异质结对于电池性能提升的影响81-82
• 5.3.4.2 高温退火对于电池性能的提升82-84
• 5.4 本章小结84-85
• 第六章 总结和研究展望85-88
• 6.1 结论85-86
• 6.2 研究展望86-88
• 参考文献88-98
• 发表论文和参加科研情况说明98-99
• 致谢99

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