納米棒陣列基碳對電極無空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池研究.pdf

1、伴隨著太陽能電池研究的發(fā)展，尤其是染料敏化太陽能電池(DSSCs)出現(xiàn)之后，多種形貌的ZnO和TiO2納米材料被廣泛用作電子傳輸半導(dǎo)體進行深入研究。在諸多形貌的ZnO和TiO2納米材料中，一維結(jié)構(gòu)具有提供快速電子傳輸通道的作用，所以，將一維ZnO和TiO2納米棒(NR)應(yīng)用于太陽能電池中，將有利于電池光電性能的提高。
　　鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)以其高效率、全固態(tài)、易制作等優(yōu)勢逐漸成為敏化類太陽能團電池的研究主流，最近5年轉(zhuǎn)化

2、效率最高已達到22.1％，這種PSCs的結(jié)構(gòu)包含有空穴傳輸層材料(簡稱HTM)和貴金屬對電極，但是空穴傳輸層和貴金屬電極價格昂貴，且制備條件較為苛刻，為降低電池制備成本和簡化制備工序，全印刷工藝制備的以TiO2顆粒膜為半導(dǎo)體層、無空穴傳輸層、以ZrO2作為隔絕層、碳為對電極的PSCs應(yīng)運而生，通過對電池結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦和碳電極等的大量研究，這種電池的效率已經(jīng)達到12.8％以上。有大量研究表明，半導(dǎo)體層的形貌、結(jié)構(gòu)等對PSCs電池的電池性能有

3、較大影響，基于一維ZnO和TiO2納米棒陣列在太陽能電池半導(dǎo)體層的優(yōu)勢，本論文首次將納米棒陣列用作半導(dǎo)體層應(yīng)用于無空穴傳輸層、以ZrO2作為隔絕層、碳為對電極的PSCs，具體的研究內(nèi)容和主要結(jié)論如下:
　　(1)采用水熱法制備ZnO NR，通過控制水熱反應(yīng)的時間得到不同長度的ZnO NR，并首次使用ZnO NR陣列為基底組裝成無空穴傳輸層、以碳為對電極的PSCs。在標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射、室溫條件下測量所得的ZnO NR基PSCs的I-V性

4、能。實驗表明，基于ZnO NR的PSCs顯示出較高的性能，光電轉(zhuǎn)換效率可達到5.56％，陣列結(jié)構(gòu)有利于鈣鈦礦的填充，最佳的ZnO半導(dǎo)體厚度約1μm。
　　(2)為了減小ZnO NR基PSCs在ZnO納米棒表面發(fā)生的電子復(fù)合，利用TiCl4溶液對ZnO NR陣列進行處理，成功制備得到ZnO/TiO2NR核殼結(jié)構(gòu)的納米棒陣列，并應(yīng)用于PSCs，且對其光電性能進行了測試。大量的實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，以ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)NR陣列為半導(dǎo)體

5、層的PSCs的電池效率可達到8.24％。EIS研究表明，與相應(yīng)的基于TiO2NR的PSCs相比，ZnO NR基PSCs具有更小的傳輸電阻，同時ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)中表面的TiO2對反向電子復(fù)合具有阻礙作用，從而使得ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)NR陣列PSCs具有比ZnO NR陣列PSCs更高的效率。
　　(3)本文采用水熱法合成一維TiO2NR陣列，并首次將TiO2NR陣列應(yīng)用于PSCs。通過控制晶種層的形貌、鈦源材料、水熱合成溫

6、度、合成時間等，控制合成一維TiO2NR陣列，并討論其生長機理。研究發(fā)現(xiàn)，TiO2NR陣列的截面直徑隨著基底的顆粒直徑的增加而增加;晶種層顆粒分布越密集，TiO2NR陣列生長的速度越快;反應(yīng)溶液中Cl-陰離子的濃度在一定范圍內(nèi)越高，TiO2NR陣列的長度越長。將該TiO2NR陣列組裝成PSCs電池，進行了光電性能測試，最高的效率可達到9.07％。
　　(4)將一維ZnO NR陣列應(yīng)用于量子點敏化太陽能電池QDSSCs，分別用CdS

7、和CdS/CdSe進行敏化，對其電池性能、紫外-可見光吸收光譜、電化學(xué)阻抗等性能進行了測試。研究發(fā)現(xiàn)，在CdS敏化過程中，SILAR循環(huán)次數(shù)增多可以繼續(xù)提高CdS的數(shù)量和電池吸收可見光的能力，但同時增大了電子在形成的CdS層中的遷移阻力，導(dǎo)致光電效率降低，循環(huán)30次的ZnO/CdS的QDSSCs光電性能最好，達到0.3％。將ZnO進行CdS/CdSe共敏化，電池效率提高了約30％，證明共敏化是提高QDSSCs的有效途徑，不僅能提高量子點