金空心球等離激元調(diào)控量子點敏化太陽能電池的光電性能研究.pdf

1、量子點敏化太陽能電池由于其成本較低、制備工藝簡單等優(yōu)勢受到科研工作者極大的關(guān)注，但是實際轉(zhuǎn)換效率很低。為此，人們作出很多努力來提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，其中一種直接有效的途徑就是加入金屬納米顆粒，利用其表面等離激元特性可以提高太陽能電池對光的吸收，并增強其光電性能。然而如何有效的提高電池的效率仍是一大問題。本文主要研究工作是制備了空心結(jié)構(gòu)的納米金球(HGNs)并應(yīng)用到太陽能電池中，探討HGNs等離激元的尺寸效應(yīng)對電池光電性能的影響，同時優(yōu)

2、化光陽極和陰極結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以獲得最佳光電性能的太陽能電池。主要工作內(nèi)容如下：
　　1.采用犧牲模板法制備了HGNs，以水熱法制備了疏密適度的TiO2納米棒(NR)，將HGNs電泳沉積到棒表面，最后利用連續(xù)離子層吸附法沉積了CdS光敏化層，制備了FTO/TiO2NR/HGN/CdS光陽極。在表面等離激元作用下，HGN能有效增加光陽極對太陽光的吸收，同時增強了鄰近的CdS光敏材料的耦合光的能力，促進生成更多的光生載流子，從而提高光陽極

3、的光電性能。研究了不同HGN濃度和CdS量對光陽極光電性能的影響，發(fā)現(xiàn)當沉積HGN時間為7 min時，F(xiàn)TO/TiO2NR/HGN/CdS光陽極的光電流密度、開路電壓和入射光子-電子轉(zhuǎn)換效率達到最佳?？刂艭dS沉積次數(shù)為4次時，能夠得到最佳厚度的光敏化層，在不阻礙電解液流動的同時有效吸收光子產(chǎn)生更多的載流子。
　　2.采用犧牲模板法制備了20-60 nm尺寸的金空心球，并摻入量子點敏化太陽能電池中，研究其表面等離激元對電池光電性能

4、的影響。結(jié)合水熱法、電泳沉積法、化學(xué)水浴沉積法和連續(xù)離子層吸附法制備了FTO/TiO2NR/HGN/CdSe/ZnS復(fù)合光陽極，并通過化學(xué)沉積法制備了FTO/CuS電極，作為電池的陰極。研究結(jié)果表明，與相同尺寸和相同質(zhì)量分數(shù)的實心金球相比，HGN的吸收峰發(fā)生明顯的紅移，在可見光有更寬的響應(yīng)范圍和更好的陷光能力，使能量轉(zhuǎn)換效率提高了20％。當HGN的外徑為33 nm時，其表面等離子體共振峰與光陽極材料的吸收峰位匹配度最好，使得電池的光電性

5、能最佳。光陽極中沉積了一層ZnS鈍化層后能有效保護光敏材料CdSe，避免其光腐蝕。進一步研究了HGN濃度和CdSe量對電池性能的影響，當HGN濃度為1.33 wt%時，電池的能量轉(zhuǎn)換效率最高，達到3.08%。過量的HGN會增加光陽極材料中的復(fù)合中心，減少有效載流子的濃度。當CdSe水浴沉積時間為15 min時,得到的光敏層的厚度最佳，電池的光電性能最佳。優(yōu)化了FTO/CuS電極制備工藝，當pH=2.69時，電極的電學(xué)活性最好。與Pt電極

6、進行比較，F(xiàn)TO/CuS電極更適于作為量子點敏化太陽能電池的陰極。
　　3.采用晶種生長法和二次水熱法制備了分枝狀的TiO2NR(TiO2BNR)，然后結(jié)合電泳沉積法、化學(xué)水浴沉積法和連續(xù)離子層吸附方法制備FTO/TiO2BNR/HGN/CdSe/ZnS光陽極，并將FTO/CuS電極作為電池的陰極使用。研究結(jié)果表明，分枝狀TiO2NR和HGN表面等離激元能夠共同增強太陽能電池的光電性能。控制生長晶種的時間為1h，TiO2NR表面有