纳米棒阵列基碳对电极无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池研究

发布时间：2018-01-15 14:09

  本文关键词：纳米棒阵列基碳对电极无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池研究　出处：《华中师范大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：伴随着太阳能电池研究的发展,尤其是染料敏化太阳能电池(DSSCs)出现之后,多种形貌的ZnO和TiO2纳米材料被广泛用作电子传输半导体进行深入研究。在诸多形貌的ZnO和TiO2纳米材料中,一维结构具有提供快速电子传输通道的作用,所以,将一维ZnO和TiO2纳米棒(NR)应用于太阳能电池中,将有利于电池光电性能的提高。钙钛矿太阳能电池(PSCs)以其高效率、全固态、易制作等优势逐渐成为敏化类太阳能团电池的研究主流,最近5年转化效率最高已达到22.1%,这种PSCs的结构包含有空穴传输层材料(简称HTM)和贵金属对电极,但是空穴传输层和贵金属电极价格昂贵,且制备条件较为苛刻,为降低电池制备成本和简化制备工序,全印刷工艺制备的以Ti02颗粒膜为半导体层、无空穴传输层、以ZrO2作为隔绝层、碳为对电极的PSCs应运而生,通过对电池结构、钙钛矿和碳电极等的大量研究,这种电池的效率已经达到12.8%以上。有大量研究表明,半导体层的形貌、结构等对PSCs电池的电池性能有较大影响,基于一维ZnO和TiO2纳米棒阵列在太阳能电池半导体层的优势,本论文首次将纳米棒阵列用作半导体层应用于无空穴传输层、以ZrO2作为隔绝层、碳为对电极的PSCs,具体的研究内容和主要结论如下:(1)采用水热法制备ZnO NR,通过控制水热反应的时间得到不同长度的ZnO NR,并首次使用ZnO NR阵列为基底组装成无空穴传输层、以碳为对电极的PSCs。在标准太阳辐射、室温条件下测量所得的ZnO NR基PSCs的I-V性能。实验表明,基于ZnO NR的PSCs显示出较高的性能,光电转换效率可达到5.56%,阵列结构有利于钙钛矿的填充,最佳的ZnO半导体厚度约1μm。(2)为了减小ZnO NR基PSCs在ZnO纳米棒表面发生的电子复合,利用TiCl4溶液对ZnONR阵列进行处理,成功制备得到ZnO/Ti02NR核壳结构的纳米棒阵列,并应用于PSCs,且对其光电性能进行了测试。大量的实验统计数据显示,以ZnO/TiO2核壳结构NR阵列为半导体层的PSCs的电池效率可达到8.24%。EIS研究表明,与相应的基于TiO2NR的PSCs相比,ZnONR基PSCs具有更小的传输电阻,同时ZnO/TiO2核壳结构中表面的TiO2对反向电子复合具有阻碍作用,从而使得ZnO/TiO2核壳结构NR阵列PSCs具有比ZnONR阵列PSCs更高的效率。(3)本文采用水热法合成一维TiO2NR阵列,并首次将TiO2NR阵列应用于PSCs。通过控制晶种层的形貌、钛源材料、水热合成温度、合成时间等,控制合成一维TiO2NR阵列,并讨论其生长机理。研究发现,TiO2NR阵列的截面直径随着基底的颗粒直径的增加而增加;晶种层颗粒分布越密集,TiO2NR阵列生长的速度越快;反应溶液中Cl-阴离子的浓度在一定范围内越高,TiO2NR阵列的长度越长。将该Ti02NR阵列组装成PSCs电池,进行了光电性能测试,最高的效率可达到9.07%。(4)将一维ZnONR阵列应用于量子点敏化太阳能电池QDSSCs,分别用CdS和CdS/CdSe进行敏化,对其电池性能、紫外-可见光吸收光谱、电化学阻抗等性能进行了测试。研究发现,在CdS敏化过程中,SILAR循环次数增多可以继续提高CdS的数量和电池吸收可见光的能力,但同时增大了电子在形成的CdS层中的迁移阻力,导致光电效率降低,循环30次的ZnO/CdS的QDSSCs光电性能最好,达到0.3%。将ZnO进行CdS/CdSe共敏化,电池效率提高了约30%,证明共敏化是提高QDSSCs的有效途径,不仅能提高量子点吸收可见光的范围,而且ZnO/CdS/CdSe光阳极组成的能带梯形结构使电子传输速率增大,光生电子损耗减小,电池性能提高。
[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 .

【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【参考文献】

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本文编号：1428677