四种不同构架的ZnO一维纳米材料的制备及在量子点敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：无机量子点敏化的太阳能电池(QDSCs)，由于其敏化剂具有很好的稳定性，不会随时间分解，有可能替代有机染料的材料。一维氧化锌材料，由于其具有较高的电荷迁移率，能够提供一个直接的电子通道，使得其在敏化太阳能中(SSCs)有很高的研究价值。 本文采用水热生长法合成ZnO材料，通过改变实验参数，获得了4种不同构架的一维ZnO材料。使用离子吸附反应的方法定量的获得了CdS无机量子点敏化层，并对合成的ZnO材料的敏化太阳能电池性能进行了系统的研究。本文的主要结论如下： 5mM的醋酸锌溶液作育种处理，包含硝酸锌，HMTA，PEI和氨水的溶液作为生长液，调控不同的生长温度和生长时间，得到样品。把所得的样品通过XRD，SEM，EDS等表征，表征结果显示所得的4种样品分别为纤锌矿结构的ZnO纳米棒阵列、纳米管阵列、纳米森林和纳米线构成的金字塔。 采用离子吸附-反应沉积的方法，通过控制吸附-反应的次数来得到不同量的无机CdS量子点沉积，通过制备电池已电池转化效率作为指标，选择了不同样品最佳的沉积的次数，ZnO纳米棒为40次，纳米管为35次，纳米森林为30次，纳米线构成的金字塔为30次。通过对不同沉积量的ZnO纳米棒阵列的电池的暗电流性能分析，结果表明：光生电子与电解液的复合场所主要发生在未被CdS沉积的ZnO表面。 利用4种构架的ZnO一维纳米材料作为敏化电池的光阳极，制备了敏化太阳能电池，得到了最佳量子点沉积下的太阳能电池的转化效率分别如下。ZnO纳米棒阵列：0.50％；ZnO纳米管阵列：1.08％；ZnO纳米森林：1.34％；ZnO线构成的金字塔：1.60％。 ④通过对纯的4种构架的ZnO样品进行光吸收和反射谱分析，结果表明：ZnO线构成的金字塔具有相对较高的光吸收特性和较好的抗反特性，通过对样品进行BET测试分析，结果表明ZnO线构成的金字塔具有较高的比表面积和孔隙率，这样的特性有利于量子点的沉积和光的吸收。通过对最佳沉积CdS量的4种构架的ZnO样品进行光吸收谱分析，结果表明：ZnO线构成的金字塔结构搭载的CdS量子点具有更高的光吸收特性。这样更有利于光电子的产生。 ⑤通过对基于这4种一维构架的ZnO电池的暗电流、光电压衰减及其得到的光电子寿命曲线测试分析，结果表明：基于ZnO线构成的金字塔的无机CdS量子敏化太阳电池具有较小的暗电流特性，和较长的光电子寿命。这说明ZnO线构成的金字塔结构能够更好的沉积无机CdS量子点在其表面，从而减少光生电子在ZnO表面与电解液的复合。 ⑥通过对以上特性的分析总结，得出对于基于一维ZnO材料的无机量子点敏化太阳能电池，通过不同的一维构架来获得较大的比表面积，通过控制CdS的沉积量来减少光生电子与电解液的复合能够极有效的提高太阳能电池的转化效率。 【关键词】：ZnO一维构架 量子点敏化太阳能电池 光电子-空穴的产生与复合
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-30
• 1.1 引言9-10
• 1.2 纳米材料的简介10-12
• 1.2.1 库伦堵塞与量子隧穿10-11
• 1.2.2 量子尺寸效应11
• 1.2.3 表面效应11
• 1.2.4 小尺寸效应11
• 1.2.5 介电限域效应11-12
• 1.3 纳米材料的常用制备方法12-15
• 1.3.1 物理制备方法12
• 1.3.2 化学制备方法12-14
• 1.3.3 物理化学方法14-15
• 1.4 纳米材料的应用15-17
• 1.4.1 纳米技术在微电子学上的应用15-16
• 1.4.2 纳米技术在生物工程上的应用16
• 1.4.3 纳米技术在光电领域的应用16-17
• 1.5 一维 ZnO 纳米材料介绍17-19
• 1.6 常用纳米材料表征仪器介绍19-22
• 1.6.1 X 射线衍射（XRD）19-20
• 1.6.2 扫描电子显微镜 (SEM)20
• 1.6.3 场发射透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscopy)20-21
• 1.6.4 紫外-可见-近红外吸收光谱（UV-VIS-NIR）21-22
• 1.7 染料敏化太阳能电池的简介22
• 1.8 染料敏化太阳电池的结构及其工作原理22-27
• 1.8.1 染料敏化太阳能电池的结构22-25
• 1.8.2 染料敏化太阳能电池的工作原理25-27
• 1.9 染料敏化太阳能电池的性能参数27-28
• 1.9.1 开路电压（Voc）27
• 1.9.2 短路电流（Isc）27
• 1.9.3 填充因子（FF）27-28
• 1.9.4 转化效率（η）28
• 1.10 本文研究目的及意义28-30
• 2 一维 ZnO 纳米构架的光阳极材料的设计、制备与表征30-41
• 2.1 一维纳米材料在光阳极中的应用30
• 2.2 一维 ZnO 构架纳米结构的设计与制备30-33
• 2.3 CdS 无机量子点的沉积33-34
• 2.4 四种 ZnO 一维构架的表征34-36
• 2.4.1 材料的 XRD 表征34-35
• 2.4.2 材料的 SEM 表征35-36
• 2.5 CdS 量子点敏化太阳电池的制备36-39
• 2.5.1 光阳极的制备36
• 2.5.2 对电极的制备36-37
• 2.5.3 S 系统电解液的配制37
• 2.5.4 量子点敏化太阳能电池的封装37-39
• 2.6 实验原料、仪器及设备39-41
• 3 基于一维纳米线阵列 CdS 量子点敏化太阳电池性能分析41-49
• 3.1 光阳极的光学性质的测试41-43
• 3.1.1 光阳极光学特性测试及分析42
• 3.1.2 光阳极 BET 测试及分析42-43
• 3.2 电池的测试43-45
• 3.2.1 输出特性（I-V）测试43-44
• 3.2.2 电池的性能参数44-45
• 3.3 电池的暗电流特性和光电压衰减特性45-49
• 3.3.1 暗电流测试45-47
• 3.3.2 光电压衰减测量47-49
• 4 结论与展望49-51
• 4.1 主要结论49
• 4.2 后续工作与展望49-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-54
• 附录54
• A 作者在攻读硕士期间发表的论文54
• B 硕士期间参与的科研项目54
• C 硕士期间申请的专利54

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