宽光谱敏化太阳能电池的制备及性能研究

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敏化太阳能电池(Sensitizedsolarcells,SSCs)做为第三代薄膜太阳能电池,近年来受到人们的广泛关注。敏化太阳能电池包括染料敏化太阳能电池(Dyesensitizedsolarcells,DSCs)和量子点敏化太阳能电池(Quantumdotsensitizedsolarcells,QDSCs)两个方向,不论何种类型的敏化电池,设计和制备宽光谱的敏化剂对于高效率的电池都是必须的。本论文以获得宽光谱高效率敏化太阳能电池为目标,从光敏化剂的设计、制备、优化和性能研究等几个方面来开展工作,取得了如下研究成果:  (1)基于染料敏化太阳能电池电化学模型的共敏化计算:通过改进电化学模型,分析电池内部的各种参数(如电池膜厚,孔隙率,串并联电阻等)对电池性能的影响,并分析了电池内部电子电流和I-,I3-离子的分布情况。在此模型基础上,建立了两种和多种染料填充于电池的共敏化模型,从理论上分析了共敏有效的原因,并通过计算机模拟染料共敏输出与实验结果对比证实了模型的可靠性。在此基础上又给出了共敏增强的简要判断条件,并对共敏增强电池输出的组合做出了预测。  (2)制备并优化了PbS/CdS量子点共敏太阳能电池:系统研究了量子点沉积条件,研究发现当PbS的SILAR次数为3次,CdS的沉积时间为1个小时时,电池的性能最佳。对比了三种对电极C,Cu2S,Cu2S/C复合对电极,结果表明Cu2S/C复合对电极对多硫化物电解液的催化活性最好。当采用最佳量子点沉积条件及高催化活性Cu2S/C复合对电极所组装的电池,其光电流密度达到15.6mA·cm-2,开路电压(Voc),填充因子(FF)和电池效率分别为466mV、0.42和3.1%。为了进一步提高电池的短路电流和效率,我们采用了分等级膜结构沉积量子点并组装电池,测试结果表明这种分等级结构不仅具有更高的比表面积,还保持了很好的散射性能,因而电池的短路电流密度提高到了18.84mA·cm-2,效率达到了3.82%,这是目前PbS-QDSC电池的最高效率之一。另外,我们初步研究了封装PbS/CdSQDSCs的稳定性,结果表明,电池具有较好的稳定性,但需要进一步改进电池的封装技术以减少电解液的泄漏。  (3)采用不同量子点制备成并联叠层量子点太阳能电池:详细探索了电池的上下层厚度以及PbS量子点的SILAR次数对整体叠层电池性能的影响。当采用最优化的光阳极厚度和PbS量子点的SILAR次数,在AM1.5的100mW·cm-2光照下,并联叠层电池获得了高达25.12mA·cm-2的光电流密度以及5.06%的效率。进一步对比研究了四种不同类型的并联叠层电池,包括采用相同和不同类型的量子点。研究发现,尽管对比于单块电池,采用相同类型量子点的叠层电池性能有所提高,但是上升的比例非常有限,主要原因在于下层部分吸光太少。而当采用不同类型量子点时候,叠层电池性能与量子点所放位置有很大关系,将CdS/CdSe敏化的光阳极置于上层,PbS/CdS敏化的光阳极置于下层要明显好于反过来放置。这是因为这种结构对太阳光能的利用率更高。
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