基于硅与氧化锡纳米材料的太阳能电池研究

【摘要】：随着能源紧张与环境污染日益加剧,新能源开发与利用逐渐迫在眉睫。在各种各样的新能源中,太阳能作为最重要的可再生能源由于无污染、取之不尽、用之不竭等特点吸引了人们越来越多的重视。本文详细阐述了太阳能电池的分类,结构以及原理。在此基础上,主要研究了PtRu修饰硅半导体太阳能电池、CdS复合Sn02染料敏化太阳能电池的制备以及表征。主要内容如下： 1.采用湿法刻蚀制备了硅纳米线阵列(SiNW),研究了HF酸浓度、AgNO3浓度、实验温度以及反应时间对SiNW的影响。采用场发射扫描电镜对所得样品的微观组织与形貌进行了表征与分析,确定了制备SiNW的最佳实验参数为HF酸浓度4.8M、AgNO3浓度0.02M、实验温度50℃、反应时间60min。 XRD分析表明,化学刻蚀未改变所使用硅片的晶体结构,详细分析了湿法刻蚀SiNW的形成机理,研究表明阵列的形成主要是由于Ag离子和基底Si原子之间的氧化还原反应所致。 2.制备了贵金属粒子修饰的Pt/SiNW、PtRu/SiNW复合材料,通过电化学工作站和太阳光模拟器对SiNW、Pt/SiNW和PtRu/SiNW电极电池的性能进行了测试与分析。以刻蚀好的SiNW为基底、H2PtCl6为铂源、 RuCl3为钉源,乙二醇作为还原剂,在160℃的反应条件下得到了PtRu合金粒子修饰的SiNW。利用SiNW、ITO导电玻璃、Surly膜以及电解液组装成太阳能电池。对SiNW、Pt/SiNW和PtRu/SiNW电极电池的性能的测试与分析表明,PtRu/SiNW电极光照时产生的光电流密度最大,电池效率最高为7.25%,比Pt/SiNW电极电池效率提高了20.0%,是SiNW电极电池效率的3.3倍。性能提高的主要原因是金属和半导体的接触使得电子更容易在界面处进行传输,并且减少了电子和空穴的复合 3.以水热法合成了纳米球状的SnO2,研究了浓H2SO4的加入量对Sn02形貌的影响,结果表明当浓H2SO4加入量为0.02mmol的时候,所得退火Sn02材料为非常均一的空心半球结构。通过旋涂的方法将所得Sn02材料进行制膜,在此基础上,利用连续离子层吸附的方法将CdS量子点和Sn02工作电极进行复合。对复合之后的工作电极进行了SEM、XRD、TEM表征与分析,并对其光电性能进行了测试。结果表明：当连续离子层吸附次数为5次时,电池的性能最好。最大电流密度5.92mA/cm2,开路电压为0.70V,光电效率为3.01%。光电转换效率提高最主要的原因是CdS量子点与Sn02纳米材料复合之后,由于能带匹配,工作电极对光的吸收范围从紫外光区扩宽到可见光区,提高了对太阳光的利用率。 4.通过旋涂制膜的方法,先在ITO导电玻璃基底上旋涂制成Ti02薄膜,退火之后在其表面再旋涂Sn02纳米晶薄膜。研究表明,和Sn02薄膜染料敏化太阳能电池相比,由于Sn02和Ti02能级匹配以及Ti02作为缓冲层的作用,SnO2/TiO2异质双层膜结构的太阳能电池性能有了较大幅度的提高,光电转换效率提高了50%。 【关键词】：硅纳米线阵列 湿法刻蚀 硫化镉 氧化锡 太阳能电池
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 太阳能电池的分类12-22
• 1.2.1 硅太阳能电池13-14
• 1.2.2 有机半导体太阳能电池14-16
• 1.2.3 化合物半导体太阳能电池16-17
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池17-22
• 1.3 太阳能电池的结构22-27
• 1.3.1 p-n结与p-i-n结太阳能电池22-24
• 1.3.2 M-S、PEC太阳能电池24-26
• 1.3.3 DSSC太阳能电池26-27
• 1.4 太阳能电池的性能评价指标27-28
• 1.5 本文研究内容28-30
• 第二章 PtRu修饰硅纳米线阵列的制备及光电性能研究30-52
• 2.1 引言30
• 2.2 实验部分30-33
• 2.2.1 试剂与仪器30-31
• 2.2.2 SiNW、Pt/SiNW和PtRu/SiNW的制备31-32
• 2.2.3 太阳能电池制备32
• 2.2.4 结构与表征32
• 2.2.5 光电性能测试32-33
• 2.3 结果与讨论33-51
• 2.3.1 各种实验条件参数对硅纳米线阵列的影响33-41
• 2.3.2 硅纳米线阵列形成机理41-42
• 2.3.3 漫反射光谱分析42-43
• 2.3.4 结构与物相分析43-46
• 2.3.5 光电性能测试46-51
• 2.4 本章小结51-52
• 第三章 CdS量子点敏化SnO_2纳米材料太阳能电池52-67
• 3.1 前言52-53
• 3.2 实验部分53-56
• 3.2.1 试剂与仪器53-54
• 3.2.2 样品制备54-55
• 3.2.3 电池组装55-56
• 3.2.4 结构表征与性能测试56
• 3.3 结果与讨论56-66
• 3.3.1 H_2SO_4加入量对SnO_2纳米晶形貌的影响56-59
• 3.3.2 旋涂次数对SnO_2纳米晶薄膜厚度的影响59
• 3.3.3 SEM分析59-60
• 3.3.4 XRD分析60-61
• 3.3.5 TEM分析61-62
• 3.3.6 PEG-20000的加入对CdS/SnO_2复合薄膜工作电极的影响62-63
• 3.3.7 不同连续离子层沉积次数对漫反射吸收光谱的影响63
• 3.3.8 电池性能测试63-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第四章 SnO_2/TiO_2异质双层膜染料敏化太阳能电池67-76
• 4.1 引言67-68
• 4.2 实验部分68-70
• 4.2.1 试剂与仪器68-69
• 4.2.2 样品制备69
• 4.2.3 电池组装69-70
• 4.2.4 结构表征与性能测试70
• 4.3 结果与讨论70-75
• 4.3.1 SEM分析70-71
• 4.3.2 EDS分析71-72
• 4.3.3 XRD分析72
• 4.3.4 光学性能测试72-73
• 4.3.5 电学性能测试73-75
• 4.4 本章小结75-76
• 第五章 结论76-77
• 参考文献77-85
• 致谢85-86
• 攻读硕士期间发表的学术论文86
• 攻读硕士期间参与的科研项目86-88
• 附表88

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