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《吉林大学》 2015年 博士论文
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PbS/CdS/TiO_2光阳极的改性及其光电性能研究

陈延丽  
【摘要】:当今社会,化石能源严重短缺以及能源消耗对环境造成的污染,敦促着人们开发更为高效和清洁的可再生能源。其中来自于太阳辐射的能量是人类所需能源的源头,是一种绿色无污染的可再生能源。目前,人类对太阳能最有效的利用方式主要是太阳能电池,即,利用特定的设备将太阳能转换为电能,来取代传统的化石能源。在太阳能电池领域中,有较高理论转换效率的量子点敏化太阳能电池由于制备方法简单易操作,并且原料成本低廉,已经成为最有发展前景的太阳能电池,它可以为人类提供一种全新的生活形态,使整个人类社会跨入一个绿色可持续发展的新时代。然而到目前为止,人们还没有找到一种更好的优化量子点敏化太阳能电池的路径,来进一步提高电池的转换效率,因此寻找新途径和新方法来提高量子点敏化太阳能电池的转换效率,对太阳能电池和清洁能源的发展都具有重要意义。 量子点敏化太阳能电池是由光阳极、对电极和电解质三部分组成。其中光阳极主要负责产生光生载流子,并对光生电子进行传输和收集,所以光阳极的好坏直接影响太阳能电池的性能。 二氧化钛(TiO2)作为一种廉价、稳定性好、绿色环保的宽带隙半导体氧化物,被广泛应用于太阳能电池的光阳极材料。TiO2的禁带宽度为3.2eV,通过连续离子层吸附反应(SILAR)法与窄带隙半导体量子点(硫化镉(CdS)、硫化铅(PbS))结合后,TiO2能够与窄带隙半导体量子点复合形成异质结,它的能带呈阶梯状分布,这样有利于量子点导带中的光生电子有效注入到TiO2导带位置中,并且在异质结区快速分离和有效传输光生电子-空穴对,因此量子点敏化是提高太阳能电池光电效率的有效途径。另一方面,若在TiO2中引入缺陷,包括杂质、空位等可以改善TiO2本身的电学性能,这类杂质或空位可以引入杂质能级,使电荷在能级中分段传输,更有利于电荷的传导。通过改变TiO2的电学性质同样会提高TiO2太阳能电池的光电转换效率。 根据以上两种理论观点,本文分别对CdS、PbS量子点敏化TiO2太阳能电池以及氢气处理后引入缺陷的TiO2太阳能电池的光电转换效率进行了研究。通过两种方法的结合可以有效的提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率,发现了提高光电转换效率的新途径。本论文的主要工作如下: (1)将钛酸四丁酯和稀盐酸充分混合作为合成TiO2的前驱液,采用水热法在FTO基底上生长垂直于基底的TiO2纳米棒阵列。探究TiO2纳米棒阵列的晶体结构、形貌以及光吸收特性。然后采用SILAR法在TiO2纳米棒阵列上敏化CdS、PbS量子点,讨论量子点敏化循环次数对太阳能电池光电性能的影响。太阳能电池的光电性能是在AM1.5(光强为100mW/cm2)的模拟太阳光照射下实现的。只敏化CdS量子点时,电池的最佳性能出现在敏化CdS量子点7个循环时,相应的短路电流密度、开路电压、填充因子和光电转换效率分别为7.41mA/cm2、0.46V、51.95%和1.77%。在此基础上,继续敏化PbS量子点,获得的最好的性能是短路电流密度、开路电压、填充因子和光电转换效率分别为15.52mA/cm2、0.37V、46.07%和2.65%。CdS、PbS量子点共敏化太阳能电池的效率是单独敏化CdS量子点时的1.5倍,可见量子点共敏化对提高太阳能电池光电性能具有重要的作用。 (2)通过对制备的TiO2纳米棒阵列进行氢气处理,实验中发现随着氢气处理温度的提升,TiO2的颜色逐渐变黑,在UV-vis光谱测试中表现为吸收带边逐渐向可见光范围移动,并且光的吸收强度逐渐增强,这是因为氢气处理在TiO2内部引入了电子态,减小了TiO2的禁带宽度。在对样品进行X射线光电子能谱分析(XPS)和莫特-肖特基(Mott–Schottky)曲线测试中得到,氢气处理过程在TiO2表面引入了氧空位(羟基集团),也就是在TiO2的能带中引入了一个氧空位提供的中间能级,减小了电子激发所需要的能量势垒,增加TiO2的载流子密度,有利于TiO2光电性能的提高。 (3)利用SILAR法在氢气处理的TiO2(H-TiO2)纳米棒阵列上敏化CdS、PbS量子点,并详细研究了这些光阳极的光吸收特性和组装成电池的光电性能。实验结果表明,半导体量子点的敏化,可以有效改善H-TiO2的光吸收性能,并且电池的光电性能随着量子点敏化循环次数的增加呈现先增大后减小的规律。当CdS量子点敏化5个循环时,太阳能电池的光电性能最优,它的短路电流密度、开路电压、填充因子和光电转换效率分别为8.85mA/cm2、0.44V、50.87%和1.98%。当在以上优化的光阳极上继续敏化PbS量子点时,样品的光吸收范围扩展到了近红外光区。在敏化6个循环的PbS量子点时,电池的短路电流密度和光电转换效率达到最大值,分别为19.34mA/cm2和3.98%。H-TiO2太阳能电池的光电性能明显优于未做氢气处理的TiO2太阳能电池。 (4)在敏化CdS量子点的过程中,在Cd源中加入0.075M的Ni(CH3COO)2,合成出Ni2+掺杂的CdS量子点(CdS:Ni2+),并将CdS:Ni2+量子点用于量子点敏化太阳能电池中,研究这种掺杂对太阳能电池光电性能的影响。研究发现,采用CdS:Ni2+量子点敏化的PbS/CdS:Ni2+/TiO2光阳极,其光谱吸收范围变得更宽,其光电性能明显优于PbS/CdS/TiO2。这主要归功于Ni2+在CdS量子点中引入了新的电子态,可以有效抑制光生电子-空穴对的二次复合,并且提高了太阳能电池的抗光腐蚀能力,进而提高太阳能电池的光电转换效率。这类太阳能电池的光电性能也是随着敏化剂的循环次数发生改变的。在敏化CdS:Ni2+量子点7个循环,和敏化PbS量子点6个循环时,太阳能电池的光电性能最佳,它的短路电流密度、开路电压、填充因子和光电转换效率分别为18.56mA/cm2、0.41V、47.31%和3.60%。最后将氢气处理与量子点掺杂相结合,电池的效率达到了4.29%。


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