钝化层修饰TiO2光阳极对于量子点敏化太阳能电池性能影响研究

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由于煤炭等化石燃料的过度消耗,能源短缺以及环境问题成为了现在世界各国共同关心的问题。发展清洁能源已经成为共识。太阳能由于其清洁且可再生,安全又无污染的特性,成为了研究的热点方向。量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)具有很高的理论光电转换效率,但是目前实际转换效率由于界面结构限制等问题一直没有很大的提升,远低于理论转换效率。本论文以QDSSCs的光阳极为研究重点,着重优化TiO2的表面结构来改善电池的光电性能。通过制备CuS、MnS作为钝化层修饰TiO2光阳极,以及制备不同TiO2形貌来改善光阳极构造等方法优化光阳极以达到最优性能,为QDSSCs光阳极的研究提供了实验参考。本文的具体研究内容及成果如下:(1)水热法制备了纳米片(NS),采用旋涂法将纳米片与纳米颗粒(NP)两种结构分别制备了介孔TiO2薄膜,用连续离子层沉积与反应法在TiO2上制备的CuS钝化层,采用CdS/CdSe共敏化以及ZnS钝化修饰量子点敏化剂形成光阳极,与多硫电解液以及CuS对电极组装成电池进行测试。通过改变钝化层厚度来调节电池性能找寻最好的配比,同时进行了材料形貌和结构的表征。沉积CuS可以钝化TiO2的表面缺陷,并且有效抑制了空穴电子复合。TiO2 NS/CuS/QDs QDSSCs的能量转换效率(PCE)达到4.71%,远高于未沉积钝化层的QDSSCs(3.91%)。基于TiO2 NP作为光阳极组装成电池的效率为4.61%,其原因是(001)晶面的TiO2 NSs的电子传输效率比NPs高。(2)以连续离子层沉积与反应法制备MnS钝化层,在两种不同的TiO2纳米结构(NS或NP)上沉积量子点形成TiO2/MnS/CdS/CdSe/ZnS光阳极,配以电解液与对电极组装成电池测试。由于MnS作为钝化层使TiO2表面缺陷去除从而使增加了从量子点向TiO2导带的电子注入量,因此显著改善电池的短路电流,进而改善了电池的光电转换效率。实验结果表明,TiO2 NS组装成QDSSCs的短路光电流从17.131mA/cm2增加到21.198 mA/cm2,光电转换效率由3.92%增加到了5.01%。TiO2 NP组装成QDSSCs的短路光电流从15.711 mA/cm2增加到19.968 mA/cm2,光电转换效率由3.83%增加到了4.85%。(3)通过旋涂法在FTO导电玻璃上制备了水热合成的纳米片薄膜,通过化学浴沉积法以TiCl4作为前驱体在纳米片上生长金红石TiO2纳米支状阵列,并观察和研究其形貌和光电化学性能。由于复合结构中纳米片依然保持良好的电子导电性以及支状结构提高了量子点吸附和光收集效率,因此,TiO2 NS/TiCl4/QD电池相较于没有沉积TiCl4的电池,其性能从3.92%提高到了4.07%。伴随着MnS钝化层的沉积,TiO2复合结构的表面得到优化,故在本实验得到的TiO2 NS/TiCl4/MnS/QD电池测试的性能及光电转换效率最高,结果为5.2%。
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