CdS量子点敏化ZnO纳米棒太阳能电池的改性研究与性能优化

发布时间：2018-03-21 06:49

  本文选题：纳米棒　切入点：量子点　出处：《广西大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,纳米材料已成为光伏器件的重要组成材料。量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)作为第三代太阳能光伏电池,是目前最尖端的太阳能电池之一。为了满足对清洁能源的需求,急需探索新方法捕获具有高转化效率的入射光子,以提高QDSSCs光电性能。一维纳米结构的ZnO纳米半导体材料具有良好的带隙能及较高的电子迁移率等优点,是重要的光伏半导体材料。但目前量子点敏化ZnO光电阳极的形式单一且转化效率不高,因此,本论文采用水热法制备ZnO纳米棒,以CdS量子点敏化ZnO纳米棒(ZnO/CdS)光电阳极为研究重点,分别对CdS量子点、ZnO纳米棒及ZnO/CdS界面层进行改性,分别制备了 ZnO/CdS、ZnO/CdSe@CdS、ZnO/ZnS/CdS及TiO_2/ZnO/CdS光电阳极材料;以ZnO/CdS作为光电阳极,制备了 TiO_2/PbS纳米管并首次被用作对电极材料,研究了由它们组装的QDSSCs的光电性能。本文通过X射线衍射(XRD)、电子扫描电镜(SEM)、高倍透射电镜(HRTEM)、紫外吸收光谱(UV-vis)、荧光发射光谱(PL)及傅立叶红外光谱(FT-IR)等方法对制备的量子点、光电阳极及对电极材料进行表征分析。通过使用ECS电化学工作站以及IV特性测试系统等研究分析了QDSSCs系统的光电性能。结论如下:(1)通过一步水相法以L-半胱氨酸为稳定剂合成了水溶性的CdS量子点,通过控制反应回流时间得到了不同尺寸的CdS量子点,采用直接吸附法(DA)制备得到ZnO/CdS光电阳极材料。随着CdS量子点合成时间的延长,CdS量子点粒径增大,量子点吸收范围拓宽,提高了 ZnO/CdS光电阳极的光捕获能力。由ZnO/CdS光电阳极组装的太阳能电池在360-480 nm范围内量子效率最大值达到24.16%,且光电转化效率最大值达到0.67%,是未敏化的ZnO光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的2.5倍。(2)利用一步水相法合成了由巯基丙酸(MPA)稳定的CdSe@CdS核壳量子点,并使用DA法制备得到ZnO/CdSe@CdS光电阳极材料。CdSe@CdS核壳量子点形貌近似球形,平均尺寸为5-6nm。当CdSe@CdS量子点敏化时间为6 h时,ZnO/CdSe@CdS(6 h)光电阳极材料组装的太阳能电池的量子效率在540 nm附近达到最大值52.87%,且光电转化效率达到最大值1.21%,是未敏化的ZnO光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的4.13 倍。(3)利用连续离子层吸附反应法(SILAR)制备得到ZnO/ZnS,并利用DA法制备得到ZnO/ZnS/CdS光电阳极。当ZnS致密层沉积周期为9时,ZnO/ZnS(9)/CdS光电阳极组装的太阳能电池的量子效率在波长为300-550 nm范围内达到最大值30.80%,且光电转化效率达到最大值1.53%,分别是未敏化的ZnO纳米棒和ZnO/CdS光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的6倍和3倍。说明适当厚度的ZnS层不仅会抑制电子与空穴的复合反应,而且会有效钝化ZnO纳米棒表面,增加CdS量子点的负载量,提高光电阳极的光捕获能力,进而增强QDSSCs的光电性能。(4)利用阳极氧化法合成了排列高度有序的TiO_2纳米管阵列,通过水热法合成了 TiO_2/ZnO纳米复合材料,采用SILAR法制备得到TiO_2/ZnO/CdS光电阳极。当ZnO沉积时间为3h时,TiO_2/Zn0(3h)光电阳极组装的太阳能电池的量子效率达到最大值12.32%,且光电转化效率达到最大值0.33%,分别是TiO_2纳米管和ZnO纳米棒光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的2.78倍和1.64倍。此外,当CdS量子点沉积周期为6时,由TiO_2/ZnO/CdS(6)光电阳极组装的太阳能电池的量子效率在360-600 nm范围内达到最大值40.00%,且光电转化效率达到最大值2.71%,是TiO_2/ZnO及ZnO光电阳极组装的太阳能电池光电转化效率的8.21倍和13.55倍。(5)利用阳极氧化法合成了排列高度有序的TiO_2纳米管阵列,采用SILAR法制备得到TiO_2/PbS复合材料,以此作为对电极,并以ZnO/CdS作为光电阳极组装成了 QDSSCs。当PbS量子点沉积周期为6时,TiO_2/PbS(6)对电极组装的太阳能电池的量子效率在375-475 nm范围内达到最大值22.21%,且光电转化效率达到最大值0.65%,分别是Pt片和TiO_2对电极组装的太阳能电池光电转化效率的4.41和2.28倍。说明合成的TiO_2/PbS对电极在硫化物电解质溶液中表现出了良好的电催化活性和较好的导电性。
[Abstract]:In recent years, nano materials has become an important part of photovoltaic material. Quantum dot sensitized solar cell (QDSSCs) as the third generation of solar cells, solar cell is one of the most advanced at present. In order to meet the demand for clean energy, the urgent need to explore new methods to capture the incident photon with high conversion efficiency, in order to improve the photoelectric performance QDSSCs. ZnO nano semiconductor material with 1D structure band gap and higher good electron transfer rate and other advantages, the PV is an important semiconductor material. But the quantum dot sensitized anode and the form of a single ZnO photoelectric conversion efficiency is not high, therefore, the preparation of ZnO nanorods by hydrothermal method, using CdS quantum dot sensitized ZnO nanorods (ZnO/CdS) photoelectric anode as the research focus, respectively for CdS quantum dots, ZnO nanorods and ZnO/CdS interface layer was modified, were prepared by the ZnO/ CdS, ZnO/CdSe@Cd S, ZnO/ZnS/CdS and TiO_2/ZnO/CdS photoelectric anode materials; using ZnO/CdS as photoelectric anode, preparation of TiO_2/PbS nanotubes and the first to be used as the electrode material, photoelectric properties are studied by QDSSCs. They are assembled by X ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), purple absorption spectrum (UV-vis), fluorescence emission spectra (PL) and Fu Liye (FT-IR) infrared spectroscopy and other methods of preparing quantum dots, photoelectric characterization and analysis of anode electrode material. The photoelectric properties of QDSSCs system are analyzed by using ECS to study electrochemical workstation and IV characteristics testing system. The conclusions are as follows: (1) by one-step stabilizer synthesis of water-soluble CdS quantum dots with L- cysteine, reflux time was obtained by controlling the reaction of CdS quantum dots of different sizes, using direct absorption method (DA) was prepared by ZnO/CdS light Anode material. With the extension of CdS quantum dots synthesized the CdS quantum dots QDs particle size increased, absorption range widening, improve the ZnO/CdS photoelectric anode light trapping ability. The solar cell assembled by ZnO/CdS photoanode in range of 360-480 nm maximum quantum efficiency up to 24.16%, and the photoelectric conversion efficiency reached maximum value 0.67%, is 2.5 times the solar photoelectric conversion efficiency of ZnO photoelectric anode assembly without sensitization. (2) by one-step synthesis by mercaptopropionic acid (MPA) CdSe@CdS core-shell quantum dots is stable, and the use of DA prepared ZnO/CdSe@CdS photo anode material of.CdSe@CdS core-shell quantum dots spherical morphology, average the size of 5-6nm. when the CdSe@CdS quantum dot sensitized time was 6 h, ZnO/CdSe@CdS (6 h) quantum efficiency of solar battery assembly of the photoelectric anode material reaches the maximum value of 52.87% at around 540 nm, and the light The electric conversion efficiency reaches the maximum value of 1.21%, is 4.13 times the solar photoelectric conversion efficiency of ZnO photoelectric anode assembly without sensitization. (3) using SILAR method (SILAR) was prepared by ZnO/ZnS, and the use of DA prepared ZnO/ZnS/CdS photoanode. When ZnS dense layer deposition cycle was 9. ZnO/ZnS (9) quantum efficiency of /CdS solar cell photoelectric assembly of the anode in the wavelength reaches the maximum value of 30.80% in the range of 300-550 nm, and the photoelectric conversion efficiency reaches the maximum value of 1.53%, which is 6 times the solar photoelectric conversion efficiency of ZnO nanorods and ZnO/CdS photo anode assembly without sensitization and 3 times. The complex reaction of ZnS the appropriate thickness of the layer will not only inhibit the electron and hole, and effective passivation of ZnO nanorods, increase the load of CdS quantum dots, improve the photoelectric anode ability to capture light, and enhanced light QDSSCs Electrical properties. (4) are highly ordered TiO_2 nanotube arrays were prepared by anodic oxidation of TiO_2/ZnO nano composite materials were synthesized by hydrothermal method, using SILAR prepared TiO_2/ZnO/CdS photoanode. When ZnO deposition time was 3h, TiO_2/Zn0 (3H) quantum efficiency of solar battery photoelectric anode assembly of the maximum 12.32%, and the photoelectric conversion efficiency reaches the maximum value of 0.33%, which is 2.78 times the solar photoelectric conversion efficiency of TiO_2 nanotubes and ZnO nanorods and the photoelectric anode assembly 1.64 times. In addition, when the CdS quantum dots deposited for a period of 6 weeks, by TiO_2/ZnO/CdS (6) quantum efficiency of solar battery photoelectric anode assembly of the maximum 40% in the range of 360-600 nm, and the photoelectric conversion efficiency reaches the maximum value of 2.71%, is 8.21 times the solar photoelectric conversion efficiency of TiO_2/ZnO and ZnO of the photoelectric anode assembly and 13.55 times . (5) are highly ordered TiO_2 nanotube arrays were prepared by anodic oxidation method, using SILAR prepared TiO_2/PbS composite material as electrode, and ZnO/CdS as the photoelectric anode assembly into QDSSCs. when PbS quantum dot deposition cycle is 6, TiO_2/PbS (6) quantum efficiency for the solar cell electrode assembly the maximum value of 22.21% in the range of 375-475 nm, and the photoelectric conversion efficiency reaches the maximum value of 0.65%, respectively, the photoelectric conversion efficiency of solar cell Pt and TiO_2 on the electrode assembly of the 4.41 and 2.28 times. The synthesis of TiO_2/ PbS on the electrode in the sulfide electrolyte solution showed good electrocatalytic activity and good conductive.

【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 韩晶;李鹏;张迪;;三端耦合多量子点体系的电输运[J];黑龙江工程学院学报(自然科学版);2011年01期

2 于潇;张雪萍;王才富;倪柳松;何磊;张晨;孙孟娜;许世超;魏俊富;王兵;张纪梅;王海涛;;量子点的制备及应用进展[J];科技视界;2013年29期

3 隋鹏飞,杨其艳,戴振宏,黄士勇;球型量子点电子填充性质的研究[J];烟台大学学报(自然科学与工程版);2002年02期

4 李朝霞,李作宏;单量子点体系极化电子的输运[J];烟台大学学报(自然科学与工程版);2004年02期

5 贺泽龙;韩晶;李华;;四端耦合量子点桥的电输运[J];黑龙江工程学院学报;2008年04期

6 楼曹鑫;丁澜;马锡英;黄仕华;;锗/硅量子点形貌随退火温度的变化与电学特性研究[J];苏州科技学院学报(自然科学版);2011年04期

7 王安梅;;多层单电子量子点的低激发态能谱研究[J];科学技术与工程;2013年10期

8 李芝;陈静;雷威;;量子点层厚度对量子点发光二极管发光特性的影响[J];中国科技论文;2014年01期

9 冯金福;正常金属-量子点-超导系统的共振隧穿[J];常熟高专学报;2004年04期

10 乔毅;冯雪元;张家雨;崔一平;;量子点发光材料在多色照明上的应用[J];照明工程学报;2006年01期

相关会议论文 前10条

1 胡德红;武红敏;梁建功;韩鹤友;;量子点与蛋白质相互作用研究[A];第五届全国化学生物学学术会议论文摘要集[C];2007年

2 宋涛;逯超亮;宫晓群;杨秋花;李云红;常津;;量子点荧光编码微球的制备[A];天津市生物医学工程学会第30次学术年会暨生物医学工程前沿科学研讨会论文集[C];2010年

3 杨久敏;宫晓群;张琦;宋涛;刘铁根;李迎新;常津;;小波变换在量子点编码识别中的应用[A];天津市生物医学工程学会第30次学术年会暨生物医学工程前沿科学研讨会论文集[C];2010年

4 李佳涵;葛玉舒;田方方;樊婷;袁莲;刘义;;微量热研究量子点对线粒体代谢的影响[A];中国化学会第十五届全国化学热力学和热分析学术会议论文摘要[C];2010年

5 何治柯;;小粒经近红外低毒水溶性量子点的合成及应用研究[A];中国化学会第十届全国发光分析学术研讨会论文集[C];2011年

6 贾金锋;;全同金属量子点的生长与研究[A];2001年纳米和表面科学与技术全国会议论文摘要集[C];2001年

7 张友林;曾庆辉;孔祥贵;;用于在体高灵敏检测的量子点发光光纤生物传感器[A];中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集（上册）[C];2007年

8 王金嫒;王琛;付国;刘力;王桂英;;量子点的三维取向探测[A];2006年全国强场激光物理会议论文集[C];2006年

9 张家雨;崔一平;王志兵;;胶体量子点的电致发光研究[A];第十七届十三省（市）光学学术年会暨“五省一市光学联合年会”论文集[C];2008年

10 原凤英;蒋最敏;陆f ;;锗硅双层量子点耦合效应的研究[A];第十六届全国半导体物理学术会议论文摘要集[C];2007年

相关重要报纸文章 前10条

1 冯卫东;美研究可高效阻断蛋白生成的量子点技术[N];科技日报;2008年

2 记者 常丽君;韩国造出全彩色量子点显示屏[N];科技日报;2011年

3 记者 曲照贵;天大首创零污染量子点合成工艺[N];中国化工报;2013年

4 刘牧洋;我国量子点研究获新突破[N];光明日报;2003年

5 王全楚;“量子点”荧光标记初露端倪[N];健康报;2005年

6 刘霞;科学实验发现：量子点不是点[N];科技日报;2010年

7 记者 刘霞;量子点显示屏或将成主流[N];科技日报;2010年

8 刘霞;胶体量子点太阳能电池转化效率创纪录[N];科技日报;2011年

9 本报记者 于欢;纳米技术全面升级LED[N];中国能源报;2010年

10 记者马艳红;中科院化学所成功制备量子点荧光微球[N];中国医药报;2005年

相关博士学位论文 前10条

1 王立民;量子点分子及量子点团簇的电子结构[D];北京师范大学;2002年

2 石星波;单个量子点的光学性质研究及其在超高分辨率定位上的应用[D];湖南大学;2012年

3 王解兵;Ⅱ-Ⅵ族油溶性量子点的制备、修饰及应用研究[D];上海交通大学;2013年

4 李钒;高荧光碳量子点的制备及其应用研究[D];中国人民解放军军事医学科学院;2015年

5 周宏明;核壳型量子点的能带结构及其光学非线性[D];武汉大学;2013年

6 黄碧海;基于量子点标记的生物探针构建[D];武汉大学;2012年

7 潘佳奇;半导体ZnSe量子点和碳量子点的制备及其应用[D];兰州大学;2015年

8 卞伟;锰掺杂硫化锌量子点磷光探针研究及分析应用[D];山西大学;2015年

9 胡思怡;基于微流控技术的功能型量子点的合成及应用[D];长春理工大学;2015年

10 梁瑞政;光功能客体/LDHs插层复合材料的构筑及其性能研究[D];北京化工大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 尹芳蕊;纳米颗粒—量子点经嗅觉通路进入中枢神经系统的实验研究[D];内蒙古科技大学包头医学院;2008年

2 许智祥;荧光量子点的制备及应用研究[D];华中科技大学;2007年

3 李秀清;量子点的不同修饰方法对其与牛血清白蛋白的作用的影响[D];华中科技大学;2007年

4 华晓锋;量子点与生物分子的偶联及其应用[D];华中科技大学;2006年

5 李玉丹;单电子隧穿耦合量子点的输运和光学性质[D];山西大学;2011年

6 何至青;水溶性量子点的制备与性能研究[D];武汉理工大学;2012年

7 陈清爱;基于量子点的金属离子检测和碳点的制备及其发光研究[D];福建农林大学;2012年

8 卢鹏;核分析技术在水溶性氧化锌量子点吸收中的应用[D];复旦大学;2012年

9 张翼飞;锗硅单量子点的耦合和瞬态电学性质研究[D];复旦大学;2010年

10 赵潇;一种纳米级碳量子点的合成、修饰、表征及生物学评价[D];华东师范大学;2015年

，

本文编号：1642726