量子点敏化ZnO太阳能电池光阳极材料的制备与性能研究

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近年来量子点敏化太阳能电池(QDSSC)因其较低的成本及高的理论转化效率已成为太阳能电池领域研究的热点。QDSSC光阳极材料性能的优劣直接影响电池的性能。论文对量子点敏化ZnO纳米棒太阳能电池的制备与性能进行了深入研究,采用两步法在氟掺杂二氧化锡(FTO)导电玻璃基板上制备ZnO纳米棒和Y掺杂的ZnO(ZnO:Y)纳米棒。采用连续离子层吸附反应方法(SILAR)制备CuInS2量子点、CdS量子点和CdS/CuInS2共敏化量子点,以不同量子点敏化的ZnO和ZnO:Y纳米棒分别作为光阳极,多硫化物为电解质,Cu1.8S/Cu S为对电极,组装“三明治”结构的QDSSC电池。主要研究内容和实验结果如下:(1)采用两步法制备了纯ZnO纳米棒和Y掺杂的ZnO(ZnO:Y)纳米棒。研究Y掺杂浓度、反应温度和反应时间对ZnO:Y纳米棒的物相结构、形貌和光学性能的影响。实验结果表明:纯ZnO纳米棒和ZnO:Y纳米棒均垂直于FTO导电玻璃基板生长,为六方纤锌矿结构。当Y掺杂浓度为0.05 M时,反应时间为5 h,反应温度为95℃时,Y掺杂ZnO样品的(002)衍射峰最强;呈柱状结构,侧面存在孔洞,纳米棒的直径为450 nm、长度为2.4μm;纯ZnO纳米棒和ZnO:Y纳米棒样品在390 nm处有一个强度较低的紫外发光峰和在600 nm处有一个强度较高的可见光发光峰,与纯ZnO纳米棒相比,ZnO:Y纳米棒产生了红移;ZnO:Y纳米棒样品的光学带隙为3.23 e V。(2)采用连续离子层吸附反应方法(SILAR)制备了CuInS2量子点、CdS量子点和CdS/CuInS2共敏化量子点,研究不同沉积次数对CdS、CuInS2量子点的物相结构、形貌和吸收光谱的影响以及对组装的量子点敏化ZnO太阳能电池的光伏性能的影响。实验结果表明:随着沉积次数的增加CuInS2量子点和CdS量子点吸附量逐渐增多。当CuInS2沉积5次,所制备的CuInS2量子点为黄铜矿型结构,光吸收最强,其敏化的ZnO太阳能电池的效率为1.23%;当CdS沉积7次时,其光吸收最强,其敏化的ZnO太阳能电池的效率达到0.85%;利用沉积5次的CuInS2和沉积7次的CdS共敏化ZnO的太阳能电池,其光电转化效率最高达到1.23%。(3)以采用连续离子层吸附反应法(SILAR)制备的CuInS2量子点敏化纯ZnO纳米棒和ZnO:Y纳米棒为光阳极,多硫化物为电解质,Cu1.8S/Cu S为对电极,组装了量子点敏化太阳能电池。实验结果表明:ZnO:Y/CuInS2的光阳极材料的紫外-可见光吸收最强,所组装的太阳能电池的各项性能参数均高于ZnO/CuInS2太阳能电池。利用CuInS2量子点敏化ZnO:Y纳米棒组装的太阳能电池的短路电流密度为4.9 m A/cm~2,开路电压为0.46 V,填充因子为0.31,光电转换效率为1.85%。
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