本文關(guān)鍵詞：硫族半導(dǎo)體材料的陷光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備及太陽能利用研究

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【摘要】：光吸收是決定太陽能器件性能好壞的重要原因之一。但對(duì)于大部分半導(dǎo)體,其固有的高折射率會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的光吸收損失。到目前為止,如何提升器件的有效光吸收仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為此,我們制備了一系列具有陷光效應(yīng)的納米結(jié)構(gòu),包括納米片陣列和反蛋白石結(jié)構(gòu),將其運(yùn)用在太陽能電池和光電解水產(chǎn)氫領(lǐng)域,并獲得了光電轉(zhuǎn)換效率的有效提升。1.制備了一系列不同材料的納米片陣列結(jié)構(gòu)。將其作為光吸收材料可以獲得95%的吸光效率(對(duì)于硫化鎘材料),遠(yuǎn)高于薄膜和多孔結(jié)構(gòu)的光吸收。進(jìn)一步研究表明片層結(jié)構(gòu)的吸收增強(qiáng)作用來源于片與片之間的多重散射效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的光吸收增強(qiáng)作用廣泛適用于多種材料體系,包括硫化鎘,硒化鎘,銅鋅硒硫,甚至是金屬鎘。2.納米片陣列結(jié)構(gòu)不但可以增強(qiáng)自身材料的光吸收,還可以作為一種功能化的骨架來負(fù)載有機(jī)物,利用骨架恰當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)來提升負(fù)載物的吸光效率。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于15 nm厚的P3HT薄膜來說,其吸收效率可以被提升至95%。將這種具有陷光效應(yīng)的陽極骨架應(yīng)用于有機(jī)無機(jī)雜化電池中,使CdS納米片陣列/P3HT電池展現(xiàn)出4.4 mA cm-2的光電流密度,10倍于傳統(tǒng)的CdS/P3HT薄膜結(jié)構(gòu)電池。進(jìn)一步的研究表明,整個(gè)光電流的提升來源于CdS和P3HT的共同貢獻(xiàn)。3.設(shè)計(jì)了一種CdS/P3HT空腔電池結(jié)構(gòu),它擁有以下特點(diǎn):(1)具有陷光效應(yīng)的CdS納米片陣列作為骨架,(2)將P3HT以薄膜的形式包覆在CdS片層外側(cè)形成核-殼結(jié)構(gòu),(3)中空的孔洞以及平鋪的Au電極。得益于對(duì)入射光的有效吸收以及對(duì)空穴傳輸路徑的優(yōu)化,這種新型的結(jié)構(gòu)獲得了3.4 mA cm-2的光電流密度和0.52%的光電轉(zhuǎn)換效率,遠(yuǎn)高于薄膜及傳統(tǒng)的P3HT完全填充電池。將這種電池結(jié)構(gòu)概念引入到CdSe/P3HT中,獲得了類似的光電流提升。表明這種結(jié)構(gòu)不僅適用于寬帶隙半導(dǎo)體,而且在窄帶隙半導(dǎo)體和P3HT的電池體系中同樣奏效。4.制備了CdS的反蛋白石結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用于光電化學(xué)裂解水制氫。由于反蛋白石結(jié)構(gòu)恰當(dāng)?shù)目妆诤穸燃岸嗫椎慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以有效提升光吸收效率并促進(jìn)空穴的傳輸。優(yōu)化后的CdS反蛋白石電極表現(xiàn)出3.1 mA cm-2的光電流密度,這是薄膜結(jié)構(gòu)電極的3.1倍。在3小時(shí)的持續(xù)光照下該電極的光電流也不會(huì)發(fā)生明顯衰減,變現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性。通過包覆CdSe的方法可以將CdS反蛋白石結(jié)構(gòu)的光電流進(jìn)一步提升至10.5 mA cm-2
【關(guān)鍵詞】：硫族鎘化物 納米片陣列 光吸收增強(qiáng) 雜化電池 裂解水
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN304
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-39
• 1.1 引言10-12
• 1.2 太陽能的利用12-26
• 1.2.1 太陽能電池12-23
• 1.2.1.1 無機(jī)太陽能電池12-14
• 1.2.1.2 有機(jī)太陽能電池14-15
• 1.2.1.3 雜化太陽能電池15-23
• 1.2.1.3.1 雜化太陽能電池的研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.1.3.2 雜化太陽能電池現(xiàn)存的問題19-23
• 1.2.2 光電化學(xué)催化分解水23-26
• 1.2.2.1 光電化學(xué)催化分解水的基本原理23-24
• 1.2.2.2 光電化學(xué)催化分解水的研究現(xiàn)狀及現(xiàn)存問題24-26
• 1.3 太陽能器件中的主要吸光材料---金屬硫族半導(dǎo)體26-30
• 1.3.1 金屬硫族化合物的基本性質(zhì)26-28
• 1.3.2 金屬硫化物材料在太陽能領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及現(xiàn)存問題28-30
• 1.4 太陽能器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)--具有光吸收增強(qiáng)效應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)30-37
• 1.4.1 構(gòu)建光吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的重要意義30-31
• 1.4.2 吸光材料光吸收不足的原因及常規(guī)解決方法31-33
• 1.4.3 利用新型納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光吸收增強(qiáng)的研究現(xiàn)狀33-37
• 1.4.3.1 表層納米結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)整體吸收增強(qiáng)34-35
• 1.4.3.2 底層納米結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)整體吸收增強(qiáng)35
• 1.4.3.3 吸光層自身的納米結(jié)構(gòu)化35-37
• 1.5 本論文的研究意義和主要內(nèi)容37-39
• 第二章 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)裝置39-44
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料39-40
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備40-42
• 2.3 表征設(shè)備42-44
• 2.3.1 掃描電子顯微鏡(SEM)42
• 2.3.2 透射電子顯微鏡(TEM)42
• 2.3.3 X射線衍射(XRD)42-43
• 2.3.4 紫外可見分光光度計(jì)43
• 2.3.5 光致發(fā)光分光光度計(jì)43
• 2.3.6 傅立葉紅外光譜儀43
• 2.3.7 原子吸收43
• 2.3.8 電化學(xué)工作站43
• 2.3.9 氣相色譜儀43-44
• 第三章 具有吸收增強(qiáng)效應(yīng)的納米片陣列的研究44-59
• 3.1 本章引言44-45
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分45-46
• 3.2.1 鎘納米片陣列模板的制備45
• 3.2.2 硫化鎘和硒化鎘納米片陣列的制備45
• 3.2.3 硫化鎘對(duì)比樣品的制備45
• 3.2.4 Cd元素原子吸收的測(cè)試45-46
• 3.3 結(jié)果與討論46-58
• 3.3.1 硫化鎘納米片陣列的可控制備46-48
• 3.3.2 納米片陣列對(duì)硫化鎘吸收的增強(qiáng)作用48-54
• 3.3.3 納米片陣列結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)的探討54-55
• 3.3.4 納米片陣列結(jié)構(gòu)光增強(qiáng)效應(yīng)的推廣55-58
• 3.3.4.1 硒化鎘納米片陣列的光吸收增強(qiáng)56
• 3.3.4.2 銅鋅硒硫納米片陣列的光吸收增強(qiáng)56-57
• 3.3.4.3 鎘納米片陣列的光吸收增強(qiáng)57-58
• 3.4 本章小結(jié)58-59
• 第四章 CdS納米片陣列在雜化電池中的應(yīng)用59-70
• 4.1 本章引言59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分59-60
• 4.2.1 硫化鎘納米片陣列及硫化鎘薄膜的制備59-60
• 4.2.2 雜化電池的組裝60
• 4.2.3 CdS薄膜和納米片陣列表面積關(guān)系的估算60
• 4.3 結(jié)果與討論60-69
• 4.3.1 納米片陣列對(duì)負(fù)載其上的超薄有機(jī)物層的吸收增強(qiáng)作用60-64
• 4.3.2 納米片陣列結(jié)構(gòu)對(duì)雜化太陽能電池性能的提升64-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第五章 納米片/P3HT空腔電池設(shè)計(jì)及性能研究70-89
• 5.1 本章引言70-73
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分73-76
• 5.2.1 硫納米片陣列模板的制備73
• 5.2.2 硫化鎘和硒化鎘納米片陣列的制備73-74
• 5.2.3 硫化鎘薄膜樣品的制備74
• 5.2.4 空腔雜化電池的組裝74-75
• 5.2.5 有機(jī)物完全填充雜化電池的組裝75
• 5.2.6 薄膜雜化電池的組裝75-76
• 5.3 結(jié)果與討論76-88
• 5.3.1 電池的構(gòu)建與表征76-78
• 5.3.2 光電性能的測(cè)試78-81
• 5.3.3 空腔電池結(jié)構(gòu)對(duì)器件內(nèi)有效光吸收的提升81-85
• 5.3.4 空腔電池結(jié)構(gòu)對(duì)少數(shù)載流子傳輸?shù)拇龠M(jìn)作用85-87
• 5.3.5 空腔電池結(jié)構(gòu)性能提升的原因及體系的擴(kuò)展87-88
• 5.4 本章小結(jié)88-89
• 第六章 CdS反蛋白石結(jié)構(gòu)光電產(chǎn)氫研究89-103
• 6.1 本章引言89-90
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分90-92
• 6.2.1 硫化鎘反蛋白石結(jié)構(gòu)的制備90-91
• 6.2.2 硫化鎘薄膜的制備91
• 6.2.3 光電化學(xué)裂解水產(chǎn)氫性能的測(cè)試91-92
• 6.3 結(jié)果與討論92-102
• 6.3.1 CdS反蛋白石陽極結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與表征92-93
• 6.3.2 光電產(chǎn)氫性能的測(cè)試93-96
• 6.3.3 CdS反蛋白石結(jié)構(gòu)的吸收增強(qiáng)效應(yīng)96-98
• 6.3.4 CdS反蛋白石結(jié)構(gòu)對(duì)空穴分離動(dòng)力學(xué)的提高98-100
• 6.3.5 光電產(chǎn)氫性能提升機(jī)理的探究100
• 6.3.6 CdS反蛋白石/CdSe電極的構(gòu)建及器件性能的進(jìn)一步提升100-102
• 6.4 本章小結(jié)102-103
• 第七章 全文總結(jié)103-105
• 參考文獻(xiàn)105-121
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明121-122
• 附錄122-123
• 致謝123-124

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