金空心球等离激元调控量子点敏化太阳能电池的光电性能研究

发布时间：2017-10-14 20:21

  本文关键词：金空心球等离激元调控量子点敏化太阳能电池的光电性能研究

  更多相关文章： 量子点敏化太阳能电池 金空心球 光电性能 表面等离激元

【摘要】：量子点敏化太阳能电池由于其成本较低、制备工艺简单等优势受到科研工作者极大的关注,但是实际转换效率很低。为此,人们作出很多努力来提高电池的光电转换效率,其中一种直接有效的途径就是加入金属纳米颗粒,利用其表面等离激元特性可以提高太阳能电池对光的吸收,并增强其光电性能。然而如何有效的提高电池的效率仍是一大问题。本文主要研究工作是制备了空心结构的纳米金球(HGNs)并应用到太阳能电池中,探讨HGNs等离激元的尺寸效应对电池光电性能的影响,同时优化光阳极和阴极结构的设计,以获得最佳光电性能的太阳能电池。主要工作内容如下:1.采用牺牲模板法制备了HGNs,以水热法制备了疏密适度的TiO2纳米棒(NR),将HGNs电泳沉积到棒表面,最后利用连续离子层吸附法沉积了CdS光敏化层,制备了FTO/TiO2NR/HGN/CdS光阳极。在表面等离激元作用下,HGN能有效增加光阳极对太阳光的吸收,同时增强了邻近的CdS光敏材料的耦合光的能力,促进生成更多的光生载流子,从而提高光阳极的光电性能。研究了不同HGN浓度和CdS量对光阳极光电性能的影响,发现当沉积HGN时间为7 min时,FTO/TiO2NR/HGN/CdS光阳极的光电流密度、开路电压和入射光子-电子转换效率达到最佳。控制CdS沉积次数为4次时,能够得到最佳厚度的光敏化层,在不阻碍电解液流动的同时有效吸收光子产生更多的载流子。2.采用牺牲模板法制备了20-60 nm尺寸的金空心球,并掺入量子点敏化太阳能电池中,研究其表面等离激元对电池光电性能的影响。结合水热法、电泳沉积法、化学水浴沉积法和连续离子层吸附法制备了FTO/TiO2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极,并通过化学沉积法制备了FTO/CuS电极,作为电池的阴极。研究结果表明,与相同尺寸和相同质量分数的实心金球相比,HGN的吸收峰发生明显的红移,在可见光有更宽的响应范围和更好的陷光能力,使能量转换效率提高了20%。当HGN的外径为33 nm时,其表面等离子体共振峰与光阳极材料的吸收峰位匹配度最好,使得电池的光电性能最佳。光阳极中沉积了一层ZnS钝化层后能有效保护光敏材料CdSe,避免其光腐蚀。进一步研究了HGN浓度和CdSe量对电池性能的影响,当HGN浓度为1.33 wt%时,电池的能量转换效率最高,达到3.08%。过量的HGN会增加光阳极材料中的复合中心,减少有效载流子的浓度。当CdSe水浴沉积时间为15 min时,得到的光敏层的厚度最佳,电池的光电性能最佳。优化了FTO/CuS电极制备工艺,当pH=2.69时,电极的电学活性最好。与Pt电极进行比较,FTO/CuS电极更适于作为量子点敏化太阳能电池的阴极。3.采用晶种生长法和二次水热法制备了分枝状的TiO2NR(TiO2BNR),然后结合电泳沉积法、化学水浴沉积法和连续离子层吸附方法制备FTO/TiO2BNR/HGN/CdSe/ZnS光阳极,并将FTO/CuS电极作为电池的阴极使用。研究结果表明,分枝状Ti O2NR和HGN表面等离激元能够共同增强太阳能电池的光电性能。控制生长晶种的时间为1h,TiO2NR表面有“针”状晶种生成,截面排列为锯齿状。然后通过连续的水热法,在TiO2NR表面全方位的生长出纳米分枝,分枝长度范围在30-160 nm。当分枝长度为30 nm时,与HGN的散射作用相结合,使得太阳能电池的能量转换效率最高达到3.26%。
【关键词】：量子点敏化太阳能电池 金空心球 光电性能 表面等离激元
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 研究背景11
• 1.2 光伏发电的发展历程11-12
• 1.3 量子点敏化太阳能电池的结构、工作原理和工艺优化12-15
• 1.3.1 量子点敏化太阳能电池的结构和工作原理12
• 1.3.2 基于TiO_2电极结构设计12-13
• 1.3.3 量子点光敏材料的选择13-14
• 1.3.4 电解质材料的选择14
• 1.3.5 阴极材料的设计14-15
• 1.3.6 提高量子点敏化太阳能电池光电性能的方法15
• 1.4 表面等离激元在太阳能电池应用研究15-19
• 1.4.1 表面等离激元简介15-17
• 1.4.2 表面等离激元在太阳能电池的发展介绍17-19
• 1.5 本课题研究的意义及内容19-20
• 参考文献20-24
• 第二章 实验原料、制备方法及表征手段24-33
• 2.1 实验原料及相关设备24-25
• 2.1.1 实验原料24-25
• 2.1.2 实验设备25
• 2.2 制备方法25-29
• 2.2.1 TiO_2纳米棒(NR)及分枝状TiO_2纳米棒(BNR)的制备25-26
• 2.2.2 金实心球及金空心球的制备26-27
• 2.2.3 电泳沉积金溶胶粒子27
• 2.2.4 CdS光敏层的制备27-28
• 2.2.5 CdSe光敏层的制备28
• 2.2.6 ZnS钝化层的制备28-29
• 2.2.7 CuS阴极的制备29
• 2.2.8 电池组件封装29
• 2.3 表征仪器及参数设置29-33
• 2.3.1 结晶相结构分析29-30
• 2.3.2 表面形貌及成分分析30
• 2.3.3 微观形貌分析30
• 2.3.4 元素组成分析30
• 2.3.5 荧光发射光谱测试30-31
• 2.3.6 紫外-可见吸收测试31
• 2.3.7 光电性能测试31-33
• 第三章 金空心球调控CdS量子点敏化TiO_2光阳极的光电性能研究33-46
• 3.1 前言33-34
• 3.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极的制备及形貌、结构表征34-38
• 3.2.1 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极的制备34
• 3.2.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极微观形貌及结构表征34-38
• 3.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极的光学特性38-39
• 3.4 FTO/TiO_2NR/HGN/CdS光阳极的光电性能表征39-41
• 3.4.1 HGN量变对光阳极光电性能的影响39-40
• 3.4.2 CdS量变对光阳极光电性能的影响40-41
• 3.5 本章小节41-43
• 参考文献43-46
• 第四章 金空心球调控TiO_2NR/Cd Se/ZnS量子点敏化太阳能电池的光电性能研究46-68
• 4.1 前言46-47
• 4.2 不同尺寸的金空心球及实心球的光学性质表征47-49
• 4.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极的形貌和结构分析49-52
• 4.3.1 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极的制备49
• 4.3.2 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极的表面形貌分析49-51
• 4.3.3 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极微观结构测试51-52
• 4.3.4 FTO/TiO_2NR/HGN/CdSe/ZnS复合光阳极的成分分析52
• 4.4 FTO/CuS阴极的制备及工艺优化52-55
• 4.4.1 FTO/CuS阴极的制备及形貌、结构表征52-54
• 4.4.2 FTO/CuS阴极电化学性能测试54
• 4.4.3 不同FTO/CuS阴极对太阳能电池性能的影响54-55
• 4.5 不同尺寸的HGN对太阳能电池光电性能的影响55-58
• 4.5.1 HGN尺寸对光阳极光学性能的影响55-56
• 4.5.2 HGN尺寸对太阳能电池性能的影响56-58
• 4.6 HGN579浓度对电池光电性能的影响及机理研究58-60
• 4.6.1 HGN579浓度对电池光电性能的影响规律58-59
• 4.6.2 激子分离效率的研究59-60
• 4.6.3 电化学阻抗测试60
• 4.7 CdSe量变对电池性能的影响60-62
• 4.8 FTO/ Pt与FTO/CuS阴极对太阳能电池性能的影响62-63
• 4.9 本章小节63-64
• 参考文献64-68
• 第五章 金空心球调控TiO_2BNR/CdSe/ZnS量子点敏化太阳能电池的光电性能研究68-78
• 5.1 前言68
• 5.2 FTO/TiO_2BNR/CdSe/ZnS光阳极的制备及工艺优化68-72
• 5.2.1 分枝状TiO_2NR的制备及工艺优化68-71
• 5.2.2 FTO/TiO_2BNR/CdSe/ZnS光阳极制备及形貌的分析71-72
• 5.3 TiO_2分枝形态对太阳能电池性能的影响72-73
• 5.4 本章小结73-75
• 参考文献75-78
• 第六章 总结78-80
• 攻读学位期间主要研究成果80-81
• 致谢81

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 薛玫;张改清;高淑娟;崔晓瑞;;染料敏化太阳能电池光阳极的研究进展[J];广州化工;2014年02期

2 高颖;张业茂;谭正;;表面沉积钯层的n型硅光阳极特性的研究[J];化学工程师;1991年04期

3 肖尧明;吴季怀;李清华;谢桂香;岳根田;叶海峰;兰章;黄妙良;林建明;;柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其应用[J];科学通报;2009年16期

4 容齐坤;曾凡菊;李玲;;金属离子掺杂纳米TiO_2薄膜光阳极的性能研究[J];电子元件与材料;2011年01期

5 李保民;纪雪梅;刘贤豪;;染料敏化太阳能电池光阳极制备及其应用[J];信息记录材料;2011年06期

6 胡志强;刘显卿;黄德锋;高宏;;NiCr_2O_4/TiO_2薄膜光阳极的制备及性能研究[J];功能材料;2011年S5期

7 丁辉;王鸣;杜兆富;赵栋梁;;二氧化钛纳米管阵列光阳极的几何参数对染料敏化太阳能电池性能的影响[J];金属功能材料;2014年02期

8 王镜U，

本文编号：1033011