本文關(guān)鍵詞：納米棒陣列基碳對電極無空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池研究　出處：《華中師范大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：伴隨著太陽能電池研究的發(fā)展,尤其是染料敏化太陽能電池(DSSCs)出現(xiàn)之后,多種形貌的ZnO和TiO2納米材料被廣泛用作電子傳輸半導(dǎo)體進(jìn)行深入研究。在諸多形貌的ZnO和TiO2納米材料中,一維結(jié)構(gòu)具有提供快速電子傳輸通道的作用,所以,將一維ZnO和TiO2納米棒(NR)應(yīng)用于太陽能電池中,將有利于電池光電性能的提高。鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)以其高效率、全固態(tài)、易制作等優(yōu)勢逐漸成為敏化類太陽能團(tuán)電池的研究主流,最近5年轉(zhuǎn)化效率最高已達(dá)到22.1%,這種PSCs的結(jié)構(gòu)包含有空穴傳輸層材料(簡稱HTM)和貴金屬對電極,但是空穴傳輸層和貴金屬電極價格昂貴,且制備條件較為苛刻,為降低電池制備成本和簡化制備工序,全印刷工藝制備的以Ti02顆粒膜為半導(dǎo)體層、無空穴傳輸層、以ZrO2作為隔絕層、碳為對電極的PSCs應(yīng)運而生,通過對電池結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦和碳電極等的大量研究,這種電池的效率已經(jīng)達(dá)到12.8%以上。有大量研究表明,半導(dǎo)體層的形貌、結(jié)構(gòu)等對PSCs電池的電池性能有較大影響,基于一維ZnO和TiO2納米棒陣列在太陽能電池半導(dǎo)體層的優(yōu)勢,本論文首次將納米棒陣列用作半導(dǎo)體層應(yīng)用于無空穴傳輸層、以ZrO2作為隔絕層、碳為對電極的PSCs,具體的研究內(nèi)容和主要結(jié)論如下:(1)采用水熱法制備ZnO NR,通過控制水熱反應(yīng)的時間得到不同長度的ZnO NR,并首次使用ZnO NR陣列為基底組裝成無空穴傳輸層、以碳為對電極的PSCs。在標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射、室溫條件下測量所得的ZnO NR基PSCs的I-V性能。實驗表明,基于ZnO NR的PSCs顯示出較高的性能,光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到5.56%,陣列結(jié)構(gòu)有利于鈣鈦礦的填充,最佳的ZnO半導(dǎo)體厚度約1μm。(2)為了減小ZnO NR基PSCs在ZnO納米棒表面發(fā)生的電子復(fù)合,利用TiCl4溶液對ZnONR陣列進(jìn)行處理,成功制備得到ZnO/Ti02NR核殼結(jié)構(gòu)的納米棒陣列,并應(yīng)用于PSCs,且對其光電性能進(jìn)行了測試。大量的實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,以ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)NR陣列為半導(dǎo)體層的PSCs的電池效率可達(dá)到8.24%。EIS研究表明,與相應(yīng)的基于TiO2NR的PSCs相比,ZnONR基PSCs具有更小的傳輸電阻,同時ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)中表面的TiO2對反向電子復(fù)合具有阻礙作用,從而使得ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)NR陣列PSCs具有比ZnONR陣列PSCs更高的效率。(3)本文采用水熱法合成一維TiO2NR陣列,并首次將TiO2NR陣列應(yīng)用于PSCs。通過控制晶種層的形貌、鈦源材料、水熱合成溫度、合成時間等,控制合成一維TiO2NR陣列,并討論其生長機理。研究發(fā)現(xiàn),TiO2NR陣列的截面直徑隨著基底的顆粒直徑的增加而增加;晶種層顆粒分布越密集,TiO2NR陣列生長的速度越快;反應(yīng)溶液中Cl-陰離子的濃度在一定范圍內(nèi)越高,TiO2NR陣列的長度越長。將該Ti02NR陣列組裝成PSCs電池,進(jìn)行了光電性能測試,最高的效率可達(dá)到9.07%。(4)將一維ZnONR陣列應(yīng)用于量子點敏化太陽能電池QDSSCs,分別用CdS和CdS/CdSe進(jìn)行敏化,對其電池性能、紫外-可見光吸收光譜、電化學(xué)阻抗等性能進(jìn)行了測試。研究發(fā)現(xiàn),在CdS敏化過程中,SILAR循環(huán)次數(shù)增多可以繼續(xù)提高CdS的數(shù)量和電池吸收可見光的能力,但同時增大了電子在形成的CdS層中的遷移阻力,導(dǎo)致光電效率降低,循環(huán)30次的ZnO/CdS的QDSSCs光電性能最好,達(dá)到0.3%。將ZnO進(jìn)行CdS/CdSe共敏化,電池效率提高了約30%,證明共敏化是提高QDSSCs的有效途徑,不僅能提高量子點吸收可見光的范圍,而且ZnO/CdS/CdSe光陽極組成的能帶梯形結(jié)構(gòu)使電子傳輸速率增大,光生電子損耗減小,電池性能提高。
[Abstract]:In this paper , ZnO and TiO2 nano - rods ( NR ) have been widely used as electron transport semiconductor . In recent five years , ZnO and TiO2 nano - rods ( NR ) have been used in solar cells . ( 2 ) In order to reduce the electron recombination of ZnO - NR - based PSCs on the surface of ZnO nanorods , the ZnONR array was successfully prepared by using TiCl4 solution . The results showed that the ZnO / TiO2 core - shell structure NR array had a higher efficiency than that of ZnONR array PSCs . ( 4 ) A one - dimensional ZnONR array was applied to QDSSCs of quantum dot - sensitized solar cells . The properties of CdS and CdS / cdse cells were sensitized by CdS and CdS / cdse , respectively , and their cell performance , ultraviolet - visible light absorption spectrum and electrochemical impedance were tested .

【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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