本文關(guān)鍵詞：ZnO薄膜的電沉積及在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 電沉積ZnO 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池 ZnO納米片-納米棒陣列 SnO_2/TiO_2復(fù)合薄膜

【摘要】：能源從來(lái)都是是人類社會(huì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。從20世紀(jì)中葉開(kāi)始,人類進(jìn)入能源高消費(fèi)階段,現(xiàn)有的能源已經(jīng)無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要,能源危機(jī)已成為人類面臨的最大挑戰(zhàn)。而發(fā)展高效率、低成本、可持續(xù)利用的太陽(yáng)能電池是解決能源危機(jī)的一種有效途徑,同時(shí)對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。由染料敏化太陽(yáng)能電池發(fā)展而來(lái)的量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSC)具有很高的理論效率、低成本和很好的穩(wěn)定性,有很大的發(fā)展?jié)摿?受到人們的廣泛關(guān)注。納米半導(dǎo)體氧化物薄膜作為電子收集材料,是量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的重要組成部分。目前性能最好的是TiO_2納米材料。而隨著納米材料科學(xué)的發(fā)展,越來(lái)越多的材料和納米結(jié)構(gòu)被用于QDSC。其中,ZnO納米材料因?yàn)槠鋬?yōu)良的電子遷移率和納米形貌易于控制的特性而受到人們的青睞。在本文中,我們先電沉積ZnO納米片,在這個(gè)基礎(chǔ)上合成ZnO納米片-納米棒、納米球,還以ZnO納米片為模板合成了由SnO_2納米片和TiO_2納米顆粒組成的復(fù)合薄膜,并將ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)和SnO_2/TiO_2復(fù)合薄膜使用CdS和CdSe共敏化后應(yīng)用于QDSC中,探究了這幾種材料作為光陽(yáng)極時(shí)對(duì)QDSC性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容及研究結(jié)果如下:(1)使用水熱法在電沉積的ZnO納米片上生長(zhǎng)ZnO納米棒,考察了前驅(qū)液濃度對(duì)ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)SEM圖觀察到了隨著前驅(qū)液濃度的增加,ZnO納米片上的凸起逐漸轉(zhuǎn)變成納米錐,最后又轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米棒的過(guò)程,還通過(guò)改變水熱反應(yīng)的時(shí)間優(yōu)化了ZnO納米棒的長(zhǎng)度,當(dāng)水熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),納米棒的直徑過(guò)大,大量的納米棒擠在一起破壞了之前的有序納米棒陣列,最終確定10小時(shí)為最佳的水熱反應(yīng)時(shí)間。(2)通過(guò)調(diào)整前驅(qū)液的濃度至0.15M,還制備出了一種由ZnO納米棒構(gòu)成的納米球。通過(guò)控制水熱反映的時(shí)間考察了納米球的生長(zhǎng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)在水熱過(guò)程中由于過(guò)量的六亞甲基四胺的分解,造成了強(qiáng)堿性的環(huán)境,從而導(dǎo)致了ZnO納米片被腐蝕,ZnO薄膜的形貌發(fā)生了重構(gòu)。同時(shí)還考察了電沉積時(shí)間對(duì)ZnO納米球的形成過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:要形成由ZnO納米棒組成的納米球,則納米棒生長(zhǎng)的過(guò)程中不能受到阻擋,可以自由的向各個(gè)方向生長(zhǎng)。這需要生長(zhǎng)ZnO納米棒的基底表明有比較大的起伏。(3)最后,我們還將前面制備的ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)的薄膜使用(NH_4)_2TiF_6處理,然后再用CdS和CdSe共敏化作為QDSC的光陽(yáng)極。最終結(jié)果顯示,與基于單純的ZnO納米片的光陽(yáng)極相比,基于ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)機(jī)的短路電流有了很大的提高,最終獲得了2.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。而從薄膜的UV吸收光譜和QDSC的IPCE圖譜中可以觀察到,該光陽(yáng)極在波長(zhǎng)為400nm-500nm范圍內(nèi)的吸收和IPCE都遠(yuǎn)高于其它的光陽(yáng)極,這說(shuō)明ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)有利于使用離子連續(xù)反應(yīng)吸附法(SILAR)沉積CdS。(4)使用電沉積的方法制備了ZnO納米片薄膜,并以此為模板制備了SnO_2納米片,觀察到SnO_2納米片垂直于FTO基底,并且分布有大量的納米介孔,使用TiCl_4處理和沉積TiO_2后,由薄膜橫截面的SEM圖可以看到TiO_2已經(jīng)充分的填充了SnO_2納米片的間隙,幾乎分辨不出原有的SnO_2納米片,而整個(gè)薄膜呈現(xiàn)出疏松多孔的結(jié)構(gòu),擁有比較大的比表面積,這有利于量子點(diǎn)的沉積。面元素分析也表明TiO_2均勻的分布在整個(gè)薄膜內(nèi)部。將其使用CdS/CdSe共敏化作為QDSC的光陽(yáng)極,結(jié)果表明:復(fù)合薄膜的光電子壽命和純的TiO_2薄膜的光電子壽命相當(dāng),但是復(fù)合薄膜擁有更高的IPCE,獲得的總的光電轉(zhuǎn)換效率為3.49%。
【關(guān)鍵詞】：電沉積ZnO 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池 ZnO納米片-納米棒陣列 SnO_2/TiO_2復(fù)合薄膜
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM914.4;TN304.21
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.2 太陽(yáng)能電池的種類11-13
• 1.2.1 硅基太陽(yáng)能電池11-12
• 1.2.2 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池12
• 1.2.3 有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池12
• 1.2.4 染料敏化太陽(yáng)能電池12-13
• 1.3 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSC)13-16
• 1.3.1 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)13-14
• 1.3.2 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的工作原理14-15
• 1.3.3 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀15-16
• 1.4 ZnO納米材料介紹16
• 1.5 本論文的研究?jī)?nèi)容及意義16-18
• 參考文獻(xiàn)18-21
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法21-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)用品21-22
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)中用到的藥品21-22
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)中用到的主要設(shè)備及工具22
• 2.2 制備ZnO納米材料22-24
• 2.2.1 電化學(xué)沉積法制備ZnO納米材料22-23
• 2.2.2 水熱法制備ZnO納米材料23-24
• 2.3 樣品表征24-25
• 2.3.1 XRD表征24-25
• 2.3.2 SEM表征25
• 2.3.3 紫外-可見(jiàn)-紅外吸收光譜25
• 2.4 光陽(yáng)極制備及量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組裝過(guò)程25-26
• 2.4.1 量子點(diǎn)敏化光陽(yáng)極的制備25-26
• 2.4.2 多硫電解液的制備26
• 2.4.3 硫化銅對(duì)電極的制備26
• 2.4.4 QDSC的組裝26
• 2.5 QDSC性能的測(cè)試26-29
• 2.5.1 I-V測(cè)試26-28
• 2.5.2 量子效率(IPCE )28
• 2.5.3 電化學(xué)阻抗譜28-29
• 第三章 ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的制備29-40
• 3.1 引言29
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程29-30
• 3.3 結(jié)果討論和分析30-32
• 3.3.1 前驅(qū)液濃度的影響30-31
• 3.3.2 反應(yīng)時(shí)間的影響31-32
• 3.4 ZnO納米球結(jié)構(gòu)32-35
• 3.4.1 前驅(qū)液濃度對(duì)ZnO納米球的影響32-33
• 3.4.2 ZnO棒組成的納米球的生長(zhǎng)過(guò)程33-34
• 3.4.3 電沉積時(shí)間對(duì)ZnO納米球的影響34-35
• 3.5 對(duì)ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)制備工藝的改進(jìn)35-36
• 3.6 本章小結(jié)36-37
• 參考文獻(xiàn)37-40
• 第四章 ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)在QDSC中的應(yīng)用40-47
• 4.1 引言40-41
• 4.2 QDSC的制作過(guò)程41
• 4.3 結(jié)果及討論41-43
• 4.4 本章總結(jié)43-44
• 參考文獻(xiàn)44-47
• 第五章 SnO_2/TiO_2復(fù)合薄膜在量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用47-59
• 5.1 引言47-48
• 5.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程48-49
• 5.2.1 電沉積ZnO納米片48
• 5.2.2 制備SnO_2多孔納米片48-49
• 5.2.3 制備SnO_2/TiO_2雜化薄膜49
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論49-55
• 5.3.1 材料的XRD圖譜49-50
• 5.3.2 制得的樣品的SEM圖像50-51
• 5.3.3 樣品的面元素分析51-52
• 5.3.4 QDSC的性能表征52-55
• 5.4 本章總結(jié)55-56
• 參考文獻(xiàn)56-59
• 第六章 總結(jié)與展望59-62
• 6.1 總結(jié)59-60
• 6.2 存在的問(wèn)題及后續(xù)工作60-62
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文62-63
• 致謝63-64

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