TiO2基量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換性能研究.pdf

1、太陽能以其取用不盡、綠色清潔的特點成為解決當(dāng)前能源和環(huán)境問題的理想新能源。量子點敏化太陽能電池作為一種極具潛力的新型太陽能電池正處于高速發(fā)展階段。本論文結(jié)合材料合成與器件制作，通過TiO2基量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換性能研究，探討影響電池性能的關(guān)鍵因素并在電池制作過程中進行有針對性的優(yōu)化，旨在提高量子點敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，主要研究內(nèi)容和結(jié)果在第3～5章中進行論述;另外，紅外下轉(zhuǎn)材料能夠減小太陽光譜與太陽能電池光譜響應(yīng)之間的失

2、配，在提高硅晶太陽能電池效率方面具有良好的應(yīng)用前景?；诖?，我們探索了兩種具備一定應(yīng)用潛力的新型紅外下轉(zhuǎn)換材料，相關(guān)工作在第6章中作具體闡述。
　　論文的第1章為緒論部分，主要介紹了本研究的相關(guān)背景知識。首先，綜述了太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀;其次，著重探討了量子點敏化太陽能電池的獨特優(yōu)勢、工作原理、器件結(jié)構(gòu)及其研究進展;最后，總結(jié)了量子點敏化太陽能電池面臨的主要問題和可能的解決方案。
　　在第2章中，詳細介紹了量子點敏化太陽能電

3、池的制作過程和表征手段。制作過程包括光陽極、電解液、對電極的制作以及“三明治”電池結(jié)構(gòu)的組裝，其中，光陽極的制作又涉及TiO2漿料、光陽極薄膜的制備以及量子點的合成。表征手段主要分為形貌和結(jié)構(gòu)表征、光譜特性表征和電化學(xué)性能表征。
　　在第3章中，研究了陽離子前驅(qū)液對連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)(SILAR)法制備CdS量子點敏化太陽能電池的影響。SILAR是一種常用的在氧化物多孔膜上原位沉積合成量子點的方法。研究發(fā)現(xiàn)，陽離子前驅(qū)液的選擇對

4、量子點在光陽極薄膜上的沉積情況乃至最終的太陽能電池性能存在重要影響。在CdS量子點制備過程中，與常用的Cd(NO3)2相比，采用Cd(CH3COO)2陽離子前驅(qū)液作為鎘源時，量子點在TiO2薄膜上的沉積速率更快;且制作而成的量子點敏化太陽能電池效率更高(在SILAR敏化次數(shù)均為12，光電轉(zhuǎn)換效率高達2.15％，比Cd(NO3)2作為鎘源的情形高出約40％）。深入研究表明，陽離子前驅(qū)液pH值在很大程度上決定了量子點的沉積速率及其在光陽極薄

5、膜上的沉積量;pH值越高，浸沒其中的TiO2表面帶負電荷越多，對前驅(qū)液中帶正電荷的鎘離子吸引驅(qū)動力越大，造成CdS沉積速率更快。另外，對于CdS量子點敏化TiO2薄膜，量子點負載量的增大會伴隨CdS吸收邊的紅移，這種在多數(shù)文獻中并未明確提及的反常紅移現(xiàn)象在實驗中被觀測到。它拓展了光譜吸收和光電流響應(yīng)范圍，對量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的提升十分有利。該工作對于量子點制備過程中前驅(qū)液的選擇和調(diào)制具有重要的指導(dǎo)意義，能夠借以改善量子點在

6、光陽極薄膜上的有效負載，提升量子點敏化太陽能電池性能。
　　在第4章中，深入系統(tǒng)地研究了TiO2多孔微球在CdS/CdSe量子點共敏化太陽能電池中的應(yīng)用。光陽極薄膜作為量子點敏化太陽能電池中十分關(guān)鍵的組成部分，其結(jié)構(gòu)特征對電池性能具有直接影響。通過共沉淀與溶劑熱相結(jié)合的方法合成了亞微米級銳鈦礦相TiO2多孔球。這種多孔微球是由許多納米級TiO2晶粒團聚在一起構(gòu)成的，其所具備的優(yōu)異光散射能力能夠增強光陽極的光捕獲，且巨大的比表面積可

7、以保證量子點的充分負載。在溶劑熱處理過程中添加不同量的氨水刻蝕處理能夠調(diào)控多孔微球的比表面積、孔隙率和孔徑尺寸，改善微球結(jié)構(gòu)特征，顯著提升量子點敏化太陽能電池性能。最終，基于TiO2多孔微球光陽極結(jié)構(gòu)的CdS/CdSe量子點共敏化太陽能電池獲得了4.05％的光電轉(zhuǎn)換效率，證實所合成的多孔微球是一種理想的敏化太陽能電池光陽極薄膜材料。在此基礎(chǔ)上，我們聯(lián)合使用TiO2多孔微球與納米顆粒，對光陽極結(jié)構(gòu)作進一步優(yōu)化設(shè)計。納米顆粒對相鄰多孔微球之

8、間空隙的填充使光陽極薄膜的可利用比表面積最大化，同時改善了光陽極中的電荷傳輸。優(yōu)化設(shè)計的Double-layer和Mixture結(jié)構(gòu)盡可能地實現(xiàn)了對光陽極結(jié)構(gòu)量子點負載量大、光散射能力強、電荷傳輸高效和電解液注入快速的要求。電化學(xué)性能測試表明，與簡單的單層TiO2多孔微球和納米顆粒薄膜相比，基于Double-layer和Mixture光陽極結(jié)構(gòu)的量子點敏化太陽能電池性能得到進一步提升，光電轉(zhuǎn)換效率分別達到4.33％和4.65％。該工作關(guān)

9、于TiO2多孔微球在量子點敏化太陽能電池中應(yīng)用的系統(tǒng)研究對光陽極結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的借鑒意義。
　　在第5章中，基于金屬硫化物窄帶隙量子點（PbS和Ag2S），制作了較為高效穩(wěn)定的可見至近紅外波段光譜響應(yīng)的量子點敏化太陽能電池。PbS、Ag2S等量子點通過尺寸調(diào)節(jié)能夠輕易實現(xiàn)吸收波長向近紅外區(qū)域的拓展，有望極大提升敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。電化學(xué)性能測試表明，PbS和Ag2S的良好光吸收對光生電流的增大貢獻顯著;而CdS量子點的

10、協(xié)同作用能有效改善電池性能，不僅很好地解決了PbS、Ag2S在多硫電解液中穩(wěn)定性差的問題，同時也明顯增大了開路電壓，提升了太陽能電池效率。特別地，利用Pb2+和Cd2+混合陽離子前驅(qū)液同時敏化所制備的高質(zhì)量(Pb，Cd)S光電極能夠獲得高達2.66％的光電轉(zhuǎn)換效率?？梢灶A(yù)期，如果在后續(xù)工作中作進一步優(yōu)化，必將獲得更為高效的敏化太陽能電池，發(fā)揮出全光譜響應(yīng)電池設(shè)計的巨大潛力。
　　在第6章中，簡要介紹了紅外下轉(zhuǎn)換材料的研究背景和研究

11、進展，并在此基礎(chǔ)上，重點報道了CaNb2O6∶Yb3+和YNbO4∶Bi3+，Yb3+兩種新型紅外下轉(zhuǎn)換材料。采用高溫固相法分別制備了不同Yb3+摻雜濃度的粉末樣品。物相分析表明樣品結(jié)晶性能良好，摻雜并未造成晶格結(jié)構(gòu)的改變和破壞。利用激發(fā)光譜、發(fā)射光譜和發(fā)光衰減曲線細致地研究了材料的發(fā)光性質(zhì)。光譜分析和壽命測量證實在這兩種材料中分別存在由[NbO6]7-和Bi3+向Yb3+的能量傳遞，并用合作能量傳遞過程對其作了合理解釋。也就是說，下轉(zhuǎn)

12、換材料能夠?qū)⑺盏囊粋€高能紫外光子轉(zhuǎn)換為兩個低能近紅外光子。CaNb2O6∶Yb3+在紫外光區(qū)域250～300 nm波段內(nèi)存在基質(zhì)的寬帶吸收;而YNbO4∶Bi3+，Yb3+更是因為Bi3+的引入將光吸收拓展至250～350 nm，使得對太陽光的利用率更高。由于Yb3+的近紅外發(fā)射正好與硅晶太陽能電池的峰值響應(yīng)相匹配，這兩種材料中的紅外下轉(zhuǎn)換現(xiàn)象在提高硅晶太陽能電池效率方面具有潛在的應(yīng)用價值。然而，在高摻雜濃度下，材料中存在嚴(yán)重的濃度