半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的研究.pdf

1、隨著近現(xiàn)代微觀結(jié)構(gòu)（納米結(jié)構(gòu)尺度:＜10-7m）的制備技術(shù)與探測(cè)表征技術(shù)的日漸成熟，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的許多其體材料形式所沒(méi)有的物理化學(xué)性能紛紛被研究、開(kāi)發(fā)與利用。例如，在傳統(tǒng)的光電子器件的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用納米材料的新結(jié)構(gòu)、新概念，可以得到傳統(tǒng)器件原本所達(dá)不到的性能水平（比如量子阱激光器更低的閾值電流要求、更窄的譜線寬度），或者是拓展出器件新的應(yīng)用領(lǐng)域（比如發(fā)光譜可變的場(chǎng)效應(yīng)碳納米管發(fā)光二極管）。本論文的研究集中于太陽(yáng)電池這一偏重將光輻射能

2、量轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，著眼于目前廣受關(guān)注的能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題，通過(guò)一系列對(duì)于新型敏化太陽(yáng)電池的光陽(yáng)極基底（TiO2多孔膜，TiO2納米管陣列）和敏化劑（染料，PbS量子點(diǎn)）的制備、表征、改性、應(yīng)用研究，取得了很多對(duì)敏化電池的改進(jìn)與發(fā)展有重要促進(jìn)作用的結(jié)論，對(duì)TiO2納米管陣列和PbS量子點(diǎn)以外其他的納米材料、納米結(jié)構(gòu)的制備也有很大的借鑒意義。
　　目前，清潔而可持續(xù)的太陽(yáng)能的發(fā)電利用主要是由晶硅電池實(shí)現(xiàn)的，不過(guò)由于高成本問(wèn)題，

3、大規(guī)模光伏發(fā)電還是受到經(jīng)濟(jì)上的制約，因此，很多學(xué)術(shù)研究將目標(biāo)定位在了效率上能和晶硅電池比擬、成本上又低得多的新型電池上，其中，敏化電池是一種很有價(jià)值的新概念電池。它的結(jié)構(gòu)與載流子轉(zhuǎn)移輸運(yùn)機(jī)理與常規(guī)的pn結(jié)構(gòu)造及其內(nèi)建電場(chǎng)原理不同，依靠載流子自發(fā)的向低能級(jí)轉(zhuǎn)移的過(guò)程完成電子（或是空穴）輸運(yùn)，其光吸收材料與載流子輸運(yùn)材料也彼此獨(dú)立。傳統(tǒng)上，光陽(yáng)極是由TiO2納米晶多孔膜通過(guò)涂覆方式空間置構(gòu)的，但其無(wú)序的結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致載流子在光陽(yáng)極內(nèi)部發(fā)生散射，

4、增加暗電流，降低量子效率。如果使用在豎直方向上有序的TiO2納米結(jié)構(gòu)陣列代替多孔結(jié)構(gòu)，很可能會(huì)在敏化電池的光學(xué)、電學(xué)性能平衡性上取得突破。
　　在眾多TiO2的導(dǎo)向性納米結(jié)構(gòu)中，納米管陣列(nanotube arrays，NTAs)是一種豎直方向上高度有序，二維平面方向上周期循環(huán)分布，空間結(jié)構(gòu)高度可調(diào)的存在形式。這種奇異的結(jié)構(gòu)賦予了鈦管陣列與眾不同的特性，使其在太陽(yáng)電池、光催化器件、傳感器以及超級(jí)電容器等領(lǐng)域有著重要的發(fā)展前景。目

5、前，通過(guò)電化學(xué)系統(tǒng)制備TiO2 NTAs已經(jīng)非常成熟，重復(fù)性高、可控性好。不過(guò)可惜的是，關(guān)于自組織過(guò)程的基本原理問(wèn)題仍缺少一種一錘定音的結(jié)論，這種機(jī)理上的不了解也很大程度上影響了我們對(duì)于TiO2 NTAs更靈活、更具有創(chuàng)造性的調(diào)控。而在管基的敏化電池應(yīng)用方面，不管是染料敏化的(dye-sensitized)還是量子點(diǎn)敏化的(quantum dots-sensitized)，其效率均未超過(guò)基于多孔膜的敏化電池。
　　本文中，我們首先

6、對(duì)于納米管的可控性操作做了基礎(chǔ)研究和機(jī)理分析，掌握了氧化時(shí)間、氧化電壓、電解液成分等電化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)于TiO2 NTAs形貌的影響，為隨后的敏化電池中光陽(yáng)極的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。更深入的，我們捕捉到了氧化-分解過(guò)程中宏觀電流變動(dòng)與微觀離子濃度變動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了新的離子漂移與擴(kuò)散機(jī)制鈦管生長(zhǎng)理論，設(shè)計(jì)出一些宏觀上就能方便實(shí)現(xiàn)的調(diào)制手段來(lái)解決納米管的改良問(wèn)題和新結(jié)構(gòu)的制備問(wèn)題，制備出特別光滑、高導(dǎo)向性和致密性的TiO2 NTAs。在的制備速度

7、上，這些調(diào)制手段也有明顯的影響，納米管生長(zhǎng)速度可以從20μm/h加快到122μm/h，增幅超過(guò)5倍。
　　其次，我們對(duì)基于TiO2 NTAs的染料敏化太陽(yáng)電池(dye-sensitizedsolar cells，DSSCs)進(jìn)行了性能改進(jìn)的研究。通過(guò)構(gòu)造納米管新的空間次級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)營(yíng)造更大的表面積，最合適的HF水溶液所修飾的樣品比未經(jīng)處理的對(duì)照樣品有超過(guò)35％的效率提升;進(jìn)一步結(jié)合TiCl4修飾與物理調(diào)制以抵消HF處理所帶來(lái)的管壁連續(xù)

8、性受破壞等電學(xué)性能上的不利影響，光背入射式染料敏化電池的效率最終達(dá)到了4.35％，比參比樣品高出114％。基于這樣的增幅效果，如果能夠結(jié)合電池其他關(guān)鍵部分的發(fā)展，管基染料敏化電池的效率還能進(jìn)一步得到提升。
　　最后，我們還對(duì)基于TiO2 NTAs的PbS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池(quantum dots-sensitized solar cells，QDSSCs)進(jìn)行了性能改進(jìn)的研究，并且首次實(shí)現(xiàn)了其效率超過(guò)多孔膜電池的轉(zhuǎn)換效率。高效P