CuInS2-TiO2基量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備及性能研究.pdf

1、為了解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)日新月異，而新型量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池作為第三代太陽(yáng)能電池已經(jīng)成為材料研究的熱點(diǎn)。其中CuInS2/TiO2基量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)之一。為了制備更為高效的CuInS2/TiO2基量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池，本文首先從CuInS2量子點(diǎn)和TiO2的制備及生長(zhǎng)機(jī)理入手，研究并優(yōu)化其性能，提高其在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用效率，然后探索及開(kāi)發(fā)新型CuInS2量子點(diǎn)的敏化及共

2、敏化工藝、各種維度的TiO2納米光陽(yáng)極、鈍化層及后處理和對(duì)電極對(duì)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和性能的影響，并分析其影響機(jī)制，最終獲得更為高效的太陽(yáng)能電池，主要研究結(jié)論及成果具體如下：
　　1．采用鈦酸定向二步水熱法合成高效銳鈦礦相TiO2納米顆粒及納米帶；采用多步水熱法合成一維金紅石相TiO2納米棒陣列，研究不同水熱反應(yīng)時(shí)間和次數(shù)對(duì)產(chǎn)物形貌結(jié)構(gòu)的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步合成三維金紅石相TiO2納米枝晶，并用“成核—生長(zhǎng)—外延生長(zhǎng)”的過(guò)程闡述Ti

3、O2納米棒/納米枝晶的生長(zhǎng)機(jī)理；采用高溫水熱反應(yīng)合成一維銳鈦礦相TiO2納米線陣列，并用“成核—溶解—再結(jié)晶—共邊”的過(guò)程闡述TiO2納米線陣列的生長(zhǎng)機(jī)理；采用陽(yáng)極氧化法制備適合太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的高度有序的TiO2納米管陣列薄膜。
　　2．分別運(yùn)用多步熱分解法、一步熱分解法、溶劑熱法和水相熱處理合成法合成各種尺寸的CuInS2量子點(diǎn)，并研究有機(jī)耦合劑種類、有機(jī)耦合劑濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和熱處理時(shí)間等因素對(duì)產(chǎn)物形貌結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能

4、的影響，并用快速成核生長(zhǎng)、奧斯特瓦爾德熟化和團(tuán)聚反應(yīng)等模式闡述不同尺寸CuInS2量子點(diǎn)的生長(zhǎng)機(jī)理，通過(guò)有機(jī)耦合劑轉(zhuǎn)換等方式將CuInS2量子點(diǎn)應(yīng)用到太陽(yáng)能電池的制備中，分析最適用于量子點(diǎn)敏化的CuInS2量子點(diǎn)的合成方法。另外還發(fā)展一種連續(xù)離子層吸附法合成CuInS2量子點(diǎn)，研究循環(huán)次數(shù)對(duì)CuInS2量子點(diǎn)尺寸及光學(xué)性能的影響，并用“成核—生長(zhǎng)”過(guò)程探討CuInS2量子點(diǎn)的生長(zhǎng)機(jī)理，能極大地提高太陽(yáng)能電池的光電性能。
　　3．以

5、合成的各種CuInS2量子點(diǎn)為基礎(chǔ)制備CuInS2量子點(diǎn)敏化TiO2納米顆粒太陽(yáng)能電池，分別分析不同的量子點(diǎn)尺寸和不同的有機(jī)耦合次數(shù)對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響，探索有機(jī)耦合法制備的太陽(yáng)能電池的工藝與性能之間的影響規(guī)律，經(jīng)過(guò)三次有機(jī)耦合循環(huán)，以油胺耦合尺寸為3.5 nm的CuInS2量子點(diǎn)為基礎(chǔ)材料制備太陽(yáng)能電池的光電性能最終達(dá)到：開(kāi)路電壓487.7 mV，短路電流密度1.85 mA/cm2，填充因子0.67，光電轉(zhuǎn)換效率0.59％。

6、　　4．開(kāi)發(fā)新型的連續(xù)離子層吸附法成功制備CuInS2量子點(diǎn)敏化TiO2納米光陽(yáng)極，研究不同的反應(yīng)溶液離子濃度、不同的沉積次數(shù)和緩沖層對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響。研究表明在銅離子溶液中反應(yīng)時(shí)間為30 s能夠獲得純度較高、光電性能較好的光陽(yáng)極，隨著SILAR沉積次數(shù)的增加，TiO2納米顆粒薄膜表面CuInS2量子點(diǎn)的含量增加，而SILAR沉積次數(shù)為6次制備的光陽(yáng)極具有最佳的光吸收性能和光電轉(zhuǎn)換效率；通過(guò)引入CuxS緩沖層能夠有效地提高太陽(yáng)能電

7、池的光電轉(zhuǎn)換效率，最終達(dá)到：開(kāi)路電壓585.4 mV，短路電流密度4.33 mA/cm2，填充因子0.371，光電轉(zhuǎn)換效率0.94％。
　　5．聯(lián)合有機(jī)耦合法和連續(xù)離子層吸附法的優(yōu)勢(shì)，共同制備CuInS2/CuInS2和CuInS2/Mn-CdS量子點(diǎn)共敏化TiO2納米顆粒太陽(yáng)能電池，分析不同的敏化工藝對(duì)光電性能的影響，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，分別達(dá)到1.32％和3.51％。
　　6．分別探索ZnS和ZnSe兩種

8、不同的鈍化層材料對(duì)CuInS2/TiO2基量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池光電性能的影響。結(jié)果表明，ZnSe作為純CuInS2基量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的鈍化層、ZnS作為CuInS2/Mn-CdS基量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的鈍化層能夠獲得最佳的光電轉(zhuǎn)換效率。研究不同的熱處理溫度和熱處理時(shí)間對(duì)太陽(yáng)能電池光電性能的影響，結(jié)果表明，熱處理溫度為300℃和熱處理時(shí)間為5 min制備的CuInS2/Mn-CdS基量子點(diǎn)敏化TiO2納米顆粒太陽(yáng)能電池可以獲得最佳的光

9、電轉(zhuǎn)換效率4.22％。
　　7．分別以各種零維、一維和三維TiO2納米材料作為光陽(yáng)極組裝太陽(yáng)電池，通過(guò)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，一維和三維TiO2納米陣列薄膜都太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的光電流密度都要大于TiO2納米顆粒薄膜太陽(yáng)能電池，最終TiO2納米管陣列薄膜太陽(yáng)能電池獲得最佳的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.48％。
　　8．簡(jiǎn)單的化學(xué)法制備Cu2S納米陣列薄膜，并分析了Cu2S納米陣列薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制。分別以Cu2S納米薄膜和Cu2S納米陣列薄膜作