P3HT/TiO_2纳米阵列的界面修饰与光伏特性研究

【摘要】：有机无机杂化太阳能电池(HSCs)有效地结合了有机材料的成膜性好、易加工、易制备大面积或柔性光伏器件以及无机材料的电子迁移率高、稳定性好、可构筑有序纳米结构等优点,对发展新型太阳能电池具有的重要理论意义和良好的潜在应用价值。本文采用水热法和阳极氧化法在FTO导电玻璃上制备了一维TiO2纳米阵列,研究了工艺参数对纳米阵列形貌的影响,并将其作为电极材料应用于有机无机杂化太阳能电池中,对电池的光电性能以及界面修饰技术等进行了研究。主要实验结果及内容如下： 1.TiO2纳米棒和纳米管阵列的制备和形貌调控。以钛酸四丁酯、浓盐酸和水的混合溶液为前躯体,采用水热法在FTO导电玻璃上直接生长出金红石相TiO2纳米棒阵列,研究了前驱液中钛酸四丁酯的浓度、水热反应温度、反应时间和种子层等因素对所制备的Ti02纳米棒阵列形貌的影响规律：采用阳极氧化法在FTO上制备锐钛矿相TiO2纳米管阵列,研究了电解液中F-的浓度、氧化电压、氧化时间以及退火温度等因素对TiO2纳米管阵列形貌和晶型的影响。 2. P3HT/TiO2纳米棒阵列的有机无机杂化太阳能电池的制备与界面修饰。利用TiO2纳米棒阵列作为电子受体,组装了基于P3HT/TiO2纳米棒阵列的杂化太阳能电池。分别采用量子点、有机物或其复合材料作为界面修饰剂,研究了界面修饰对杂化电池性能的影响。实验发现吡啶、N719和10次沉积CdSe量子点修饰后的电池效率分别达到0.45%、0.94%、0.59%。研究表明界面修饰既可以可提高激子在P3HT与TiO2界面处的分离效率,也可以提高界面复合电阻,减少电子复合几率。另外,我们发现单纯的量子点修饰或有机物修饰均比两者复合修饰的效果要好。 3. P3HT/TiO2纳米管阵列的有机无机杂化太阳能电池的界面修饰与复合体修饰。研究了CdS和CdSe量子点界面修饰后P3HT/TiO2纳米管杂化电池的性能,其中均在10次沉积时的电池性能改善最好,效率分别为0.42%和0.46%。此外,还研究了石墨烯、碳纳米管与P3HT的复合体对杂化电池性能的影响。我们发现,石墨烯和碳纳米管的添加能明显减小P3HT的电阻率,从而减小电池总的串联电阻,提升填充因子；同时,石墨烯和碳纳米管在P3HT中还能起到快速传输通道作用,对电荷传输效率有明显改善。 【关键词】：TiO_2纳米阵列 形貌调控 界面修饰 杂化太阳能电池
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 TiO_2纳米材料的制备及应用11-16
• 1.1.1 TiO_2的结构和性质11-12
• 1.1.2 TiO_2纳米材料的制备12-14
• 1.1.3 TiO_2纳米材料的应用14-16
• 1.2 有机无机杂化太阳能电池16-22
• 1.2.1 有机无机杂化太阳能电池的研究背景16-17
• 1.2.2 有机无机杂化太阳能电池结构和原理17-20
• 1.2.3 太阳能电池的性能指标20-22
• 1.3 本文选题思想及主要研究内容22-24
• 1.3.1 本文的选题思想22-23
• 1.3.2 本文的主要研究内容23-24
• 1.4 主要实验原料、实验仪器及测试表征24-27
• 第2章 一维TiO_2纳米阵列的制备及形貌调控27-47
• 2.1 水热法制备TiO_2纳米棒27-31
• 2.1.1 水热法及其机理27-28
• 2.1.2 TiO_2纳米棒的制备及表征28-30
• 2.1.3 TiO_2纳米棒的生长机理及取向分析30-31
• 2.2 工艺参数对TiO_2纳米棒阵列形貌的影响31-38
• 2.2.1 Ti~(4+)浓度32-33
• 2.2.2 反应温度33-34
• 2.2.3 反应时间34-36
• 2.2.4 种子层36-38
• 2.3 阳极氧化法制备TiO_2纳米管38-42
• 2.3.1 阳极氧化法及其机理38-40
• 2.3.2 TiO_2纳米管的制备及表征40-42
• 2.4 工艺参数对TiO_2纳米管阵列形貌的影响42-46
• 2.4.1 氧化电压42
• 2.4.2 F~-浓度42-43
• 2.4.3 氧化时间43-44
• 2.4.4 退火温度44-46
• 本章小结46-47
• 第3章 P3HT/TiO_2纳米棒阵列的界面修饰与光伏特性47-59
• 3.1 P3HT/TiO_2纳米棒阵列太阳能电池的组装与测试47-49
• 3.2 量子点界面修饰的有机无机杂化太阳能电池49-52
• 3.2.1 CdSe量子点的制备及表征49-51
• 3.2.2 CdSe界面修饰P3HT/TiO_2纳米棒阵列太阳能电池的光电性能51-52
• 3.3 量子点界面修饰的增效机制研究52-55
• 3.3.1 吸收谱与IPCE表征52
• 3.3.2 光致发光与荧光寿命谱52-53
• 3.3.3 电化学阻抗谱53-54
• 3.3.4 开路电压衰减曲线54-55
• 3.4 有机无机复合界面修饰研究55-57
• 3.4.1 有机物界面修饰55-56
• 3.4.2 有机无机复合界面修饰56-57
• 本章小结57-59
• 第4章 P3HT/TiO_2纳米管阵列的界面修饰与光伏特性59-73
• 4.1 P3HT/TiO_2纳米管阵列太阳能电池的组装与测试59-60
• 4.2 P3HT/TiO_2纳米管阵列太阳能电池的界面修饰与光伏特性60-66
• 4.2.1 CdS、CdSe量子点的制备及表征60-62
• 4.2.2 界面修饰P3HT/TiO_2纳米管阵列太阳能电池的光电性能62-63
• 4.2.3 界面修饰增效机制研究63-66
• 4.3 P3HT/TiO_2纳米管的复合体修饰技术66-72
• 4.3.1 石墨烯、碳纳米管与P3HT复合体制备与表征66-68
• 4.3.2 复合体修饰有机无机杂化太阳能电池的光电性能68-69
• 4.3.3 复合体修饰的机理研究69-72
• 本章小结72-73
• 第5章 全文总结与展望73-75
• 5.1 全文总结73
• 5.2 展望73-75
• 参考文献75-82
• 附录82-83
• 致谢83

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