【摘要】：科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步引起了能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇,可以說,現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展依賴于穩(wěn)定的能源供給。迄今為止,全球大約85%的能源是化石燃料的燃燒提供的。然而,化石燃料是不可再生資源,是自然界經(jīng)歷億萬年逐漸形成的。按照現(xiàn)在的能源消耗推測(cè),化石燃料可能在幾百年內(nèi)全部被人類耗盡。同時(shí),化石燃料燃燒所排放的二氧化碳、二氧化硫和粉塵等,引起了氣候變暖、酸雨和一系列環(huán)境問題。 為了解決能源問題,太陽能被認(rèn)為是儲(chǔ)量最豐富、最為環(huán)保的新能源。各種利用太陽能的方式,如光熱,光電,光化學(xué)轉(zhuǎn)化,正在蓬勃發(fā)展。在本論文中,我們主要通過設(shè)計(jì),合成,或者修飾納米結(jié)構(gòu)的銅鋅錫硫、硅等儲(chǔ)量豐富的半導(dǎo)體材料,理解其內(nèi)在性質(zhì),開發(fā)新的性能,并研究其結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系,進(jìn)一步評(píng)價(jià)和提高其在太陽能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。 1、禁帶寬度連續(xù)可調(diào)的(Cu2Sn)x/3Zn1-xS納米顆粒及其在量子點(diǎn)敏化太陽能電池中的應(yīng)用 將被選作新一代太陽能電池的材料應(yīng)滿足以下幾個(gè)要點(diǎn)。首先,應(yīng)該是環(huán)保型材料,不含鎘、砷等劇毒元素,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。其次,應(yīng)該是儲(chǔ)量豐富,價(jià)格低廉的材料,或者該材料可由儲(chǔ)量豐富,價(jià)格低廉的材料通過綠色方法制備。第三,材料應(yīng)該可以盡可能地吸收利用不同波長(zhǎng)的太陽光,以獲得盡可能高的光電轉(zhuǎn)換效率。迄今為止,真正同時(shí)滿足這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的材料還未見報(bào)道。 針對(duì)現(xiàn)有材料和技術(shù)的不足,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種禁帶寬度可調(diào)的(Cu2Sn)x/3Zn1-xS半導(dǎo)體納米顆粒。這種納米顆粒通過溶劑熱的方法合成,粒徑在3.3nm左右,粒徑分布均勻,并且可以均勻分布在正己烷、甲苯等有機(jī)溶劑中。通過XRD表征,這類材料與傳統(tǒng)銅鋅錫硫的四方晶體結(jié)構(gòu)不同,不同組成的納米顆粒有著相同的立方閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu),說明納米顆粒中的陽離子無序分布,引起了四方晶格的畸變,變成了立方的晶體結(jié)構(gòu)。通過對(duì)納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)表征,我們發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)Cu、Sn、Zn三種金屬元素的相對(duì)含量可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體的禁帶寬度,不含Cu、Sn時(shí),單純ZnS的禁帶寬度最高,為3.5電子伏特,只能吸收紫外光,隨著Cu和Sn含量的升高,材料的禁帶寬度逐步降低,其對(duì)光的吸收也逐步紅移,一直到Cu2ZnSnS4的禁帶寬度為1.23電子伏特。 我們將制備的Cu2Snx/3Zn1-xS半導(dǎo)體納米顆粒滴在多孔的二氧化鈦薄膜上,制備了納米顆粒敏化的多孔二氧化鈦光陽極,并和鉑對(duì)電極配合組裝了量子點(diǎn)敏化電池。不同組成的納米顆粒得到的量子點(diǎn)敏化電池在100mW/cm2的光照強(qiáng)度下得到的的轉(zhuǎn)化效率顯示了其在太陽能轉(zhuǎn)化中的潛在應(yīng)用。 2、多孔銅鋅錫硫薄膜為光電陰極的雙結(jié)光電化學(xué)太陽能電池染料敏化太陽能電池,因?yàn)槠渲苽涔に嚭?jiǎn)單,對(duì)設(shè)備要求低,有利于降低成本等優(yōu)點(diǎn),引起了廣泛地關(guān)注。然而,現(xiàn)在的光電化學(xué)電池主要為單結(jié)的光電化學(xué)太陽能電池,理論最大效率為31%,同時(shí),染料敏化電池一般使用鉑覆蓋的導(dǎo)電基底作為對(duì)電極,成本較高,不利于大規(guī)模生產(chǎn)。為了提高電池的理論效率,同時(shí)也為了降低電池的成本,使用半導(dǎo)體光電陰極取代鉑電極制備雙結(jié)光電化學(xué)電池是一種很好的方法。我們引入了多孔的銅鋅錫硫薄膜(CZTS)作為光電陰極來取代鉑對(duì)電極,將傳統(tǒng)的染料敏化電池轉(zhuǎn)化為了雙結(jié)光電化學(xué)太陽能電池。首先,我們通過乙醇熱的方法,不使用模板材料,在鉬箔基底上沉積了多孔的CZTS薄膜。掃描電子顯微鏡照片顯示這種薄膜由粒徑20-40nm的CZTS納米顆粒組成,相比于傳統(tǒng)的CZTS薄膜,展示出了很高的表面積和多孔率。因?yàn)槠涠嗫捉Y(jié)構(gòu),CZTS薄膜在400到1600nm的區(qū)間都展示出了低于3%的反射率,說明它是一種非常有效的陷光材料。 因此,我們使用多孔CZTS薄膜為光電陰極,染料敏化的多孔二氧化鈦為光電陽極,和I/13-電解液組成了一種雙結(jié)的光電化學(xué)太陽能電池。這種太陽能電池和單節(jié)染料敏化電池相比,展示了更高的短路電流和轉(zhuǎn)化效率。量子效率(EQEs)測(cè)試證明了多孔的CZTS薄膜在作為背電極的同時(shí),也起著光吸收層的作用。 3、原子層沉積在硅納米線上修飾鉑納米顆粒及在太陽能制氫中的應(yīng)用 相比于單晶硅而言,硅納米線更容易制備,而且對(duì)雜質(zhì)有更高的容忍度,因?yàn)槠浞N種優(yōu)點(diǎn),引起了大家的廣泛關(guān)注,已經(jīng)成為第三代太陽能轉(zhuǎn)換的一種潛在材料。因?yàn)楣璧膶?dǎo)帶(-4.05V,相比于真空能級(jí))比還原水制氫的電位(-4.51V,相比于真空能級(jí),pH=0)要更負(fù),使用硅納米線來實(shí)現(xiàn)太陽能裂解水制取氫氣也吸引了大量科研工作者的興趣。然而,使用硅作為光電陰極來裂解水制取氫氣需要解決一個(gè)很重要的問題：硅的交換電流密度非常低,這使得硅很難維持得到一個(gè)能夠和光通量相符的光電流密度,除非給它施加很高的過電勢(shì)。因此,在硅上修飾氫氣還原反應(yīng)的催化劑來提高交換電流密度是一個(gè)必須面對(duì)的很大的挑戰(zhàn)。 現(xiàn)在存在的沉積催化劑的方法像物理蒸鍍或者化學(xué)沉積,并不適合像納米線這樣高長(zhǎng)徑比的材料。物理蒸鍍的方法,譬如磁控濺射,電子束蒸發(fā)等,因?yàn)槭欠较蛐缘某练e,催化劑只能沉積在納米線的頂端。而化學(xué)沉積,因?yàn)榍膀?qū)物要通過擴(kuò)散作用才能進(jìn)入納米線的空隙中,因此大部分催化劑也是沉積在納米線頂端。這使得光生電子還是需要一個(gè)很長(zhǎng)的擴(kuò)散半徑,到達(dá)納米線頂端的催化劑處,進(jìn)而要求納米線要有像單晶硅一樣非常高的純凈度和高質(zhì)量的結(jié)晶度,而這種要求恰恰是單晶硅生產(chǎn)高成本的主要原因。 我們使用原子層沉積的方法,在高長(zhǎng)徑比的材料上均勻修飾了鉑納米顆粒。沉積的納米顆�？梢杂行У靥岣咴趶较虻墓馍d流子的收集,可以有效地發(fā)揮出納米線在太陽能應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),我們發(fā)現(xiàn),很高密度的硅納米線會(huì)影響離子和分子的擴(kuò)散,從而影響光電流的大小。另外,我們發(fā)現(xiàn)硅納米線在光電壓方面比平面硅有更好的表現(xiàn),我們將其歸因于由納米線的高表面積引起的更好的電子傳輸。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：B
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O611.4;TM914.4

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王建省;禁帶寬度可調(diào)的Cu-Zn-Sn-S薄膜的制備及其光電化學(xué)性質(zhì)的研究[D];東北大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2768163