石墨烯基复合物在CdS量子点敏化太阳能电池里的研究与应用
发布时间：2020-08-12 23:38
【摘要】：全球能源危机促进了量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)的发展。目前,优化QDSSCs的器件结构并提高其光伏性能已然成为各国学者的研究热点。石墨烯优异的光、电、力学性能与太阳能电池所需材料高度吻合,因此,人们纷纷试图将石墨烯基复合物材料应用到太阳能电池的光电阳极和对电极中,研究其对QDSSCs光伏性能的影响。本文从提高QDSSCs光伏性能出发,采用CdS量子点(QDs)作为光敏化剂;以石墨烯基复合物为主线;将石墨烯分别掺入Ti02和NiS中作为光阳极和对电极材料,探究石墨烯的掺入对CdS QDSSCs光伏性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、能谱定量分析仪(EDS)、高倍透射电子显微镜(HRTEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、拉曼光谱仪(Raman)、紫外可见分光光度计(UV-vis)、ECS电化学工作站以及伏安特性曲线(J-V)等测试设备对实验过程中所制备的样品进行结构和光伏性能分析。本文相关研究内容和结论如下:(1)采用一步水热法在掺氟Sn02(FTO)导电玻璃表面生长出整齐有序的金红石相Ti02纳米阵列(NRs)。将不同比例的氧化石墨烯(GO,采用改进的Hummers法制备)与锐钛矿相Ti02颗粒混合均匀后再与TiO2 NRs进行复合,经热还原后得到石墨烯(rGO)/锐钛矿-金红石相TiO2光阳极并将其与Cu2S、Pt对电极组装成太阳能电池。经测试发现,锐钛矿-金红石相TiOO2光阳极(TGr0)组成的太阳能电池的光电转化效率是纯金红石相TiO2 NRs的1.77倍。当与金红石相Ti02NRs进行复合的GO/锐钛矿相TiO2混合物的比例为5%时,与之对应的光阳极(TGr5)达到最高光电转化效率1.26%,分别是纯TiO2 NRs和TGr0光阳极的2.93倍和1.66倍。而以Pt为对电极得到的光电转化效率为0.88%,相比于Cu2S降低了 30.16%。(2)采用连续离子层吸附法(SILAR)将CdSQDs负载到TGr5光阳极表面。通过测试发现,当CdS QDs的循环敏化周期为10时,其与Cu2S对电极组装的CdS QDSSC达到了最大光电转化效率2.20%,是未敏化TGr5光阳极的1.75倍。再将TiO2 NRs和掺杂了不同rGO含量的锐钛矿-金红石相Ti02光阳极分别用CdS QDs循环敏化10个周期并组装成太阳能电池。测试结果表明,TGr5光阳极组装的CdS QDSSCs的光电转化效率仍为最高,分别是TiO2 NRs(0.79%)和TGr0(1.47%)的2.78 倍和 1.50 倍,而以Pt为对电极后得到的光电转化效率为1.32%,相比于Cu2S降低了 40.00%。(3)通过水热反应法制备出纯NiS纳米颗粒以及不同rGO含量的rGO/NiS复合物制备成对电极,以经过CdS QDs循环敏化10个周期后的TGr5作为光阳极并组装成太阳能电池。测试结果表明当水热反应中GO溶液的浓度为1 mg/mL时,所制备出的rGO/NiS复合物对电极组装的太阳能电池达到最大的光电转化效率2.47%,分别是Pt(1.32%)、Cu2S(2.20%)和纯NiS对电极(2.03%)的1.87、1.12和1.22倍。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4
【图文】：
１．３．１量子点敏化太阳能电池的结构及机理逡逑ＱＤＳＳＣｓ的结构与ＤＳＳＣｓ十分相似，完美的ＱＤＳＳＣｓ的结构包括光阳极、量子点、逡逑电解质和对电极，如图１－１所示。ＱＤＳＳＣｓ和ＤＳＳＣｓ的光阳极通常以ＦＴＯ或氧化铟锡逡逑（ＩＴＯ）透明导电玻璃为基底，这样的透明基底既有利于吸收光通过又可以收集太阳能逡逑电池内部产生的空穴。基底上附着的受体材料一般为宽禁带的介孔半导体材料，其特有逡逑的多孔结构还可以为量子点的紧密吸附提供条件，如Ｔｉ０２和ＺｎＯ等。目前使ＱＤＳＳＣｓ逡逑达到最高光电流密度的电解质是以水为溶剂的多硫化物电解液，但其也有一定的缺陷，逡逑水分子容易挥发的特性和其本身存在的ｐＨ值会对受体材料的能带和表面缺陷造成一定逡逑影响。催化活性好和导电性能好的材料则常作为ＱＤＳＳＣｓ的对电极，如Ｐｔ、Ａｕ以及一逡逑些改性材料。逡逑３逡逑
广西大学硕士学位论文逦石\梯？基复合物在ＣｄＳ量子点敏ｔｔ太阳能电－池里的研究与应用逡逑ＱＤＳＳＣｓ的曲线如图１－２所示，图中＾表示ＱＤＳＳＣｓ的开路电压；人代表其逡逑短路电流密度；当开路电压和短路电流密度达到最佳时（分别用厂？，和表示），得到逡逑ＱＤＳＳＣｓ的最大输出功率尸，？0ｘ，其公式如１－２所示；填充因子（ＦＦ）是ＱＤＳＳＣｓ的Ｊ－Ｆ逡逑特性曲线内所含最大功率面积与开路短路相应的矩形面积（理想形状）比较的量度，对逡逑应的计算公式如１－３所示；ＱＤＳＳＣｓ的光电转化效率；／的计算公式如１－４所示，式中包含逡逑了上述提到的所有参数值。由此可见，将电池中的各项参数值最大化对提高ＱＤＳＳＣｓ的逡逑光电转化效率至关重要。逡逑／Ｐ＾（0／0）邋＝邋＾－0－Ｘ１２４0ＸＪ－逡逑＇逦叫逦（１－１）逡逑４＝人邋ｘ邋匕逦（１．２）逡逑ｎ逦—ＪｍｘＶｍ逡逑￣Ｊ邋ＸＶ邋￣Ｊ逦ＸＶ逡逑５Ｃ邋＂逦＂邋Ｘ逦（１－３）逡逑ｐ邋ＦＦ邋ｘ邋Ｉ邋ｘＶ逡逑ｎ（0／０）＝ｆｊｉ．＝逦：ｃ逦欠邋ｘｌＯＯ％逡逑１逦Ｐ逦Ｐ逡逑ｍ逦ｍ逦（１－４）逡逑１１１邋｜ｍｉ邋ｉｉ，逡逑Ｉ逦Ｐ逡逑＼逡逑＼逡逑ｌ逦＼逡逑１邋＼逡逑
相Ｔｉ０２邋（３．０ｅＶ），这是因为锐钛矿和金红石相Ｔｉ０２结构中的钛氧八面（Ｔｉ０６）单元的逡逑连接方式不同。锐钛矿相Ｔｉ０２为共边八面体，而金红石相则由共边和共顶点的八面体逡逑连接形成，其结构更为稳定［４Ｇ］。如图１－３中的（ａ）和（ｂ）分别展示了邋Ｔｉ０２的锐钛矿和逡逑金红石相结构，图中也可观察到两种晶型均属于四方晶系。逡逑分－？栙p哄义贤迹保冲澹裕
本文编号：2791188
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4
【图文】：
１．３．１量子点敏化太阳能电池的结构及机理逡逑ＱＤＳＳＣｓ的结构与ＤＳＳＣｓ十分相似，完美的ＱＤＳＳＣｓ的结构包括光阳极、量子点、逡逑电解质和对电极，如图１－１所示。ＱＤＳＳＣｓ和ＤＳＳＣｓ的光阳极通常以ＦＴＯ或氧化铟锡逡逑（ＩＴＯ）透明导电玻璃为基底，这样的透明基底既有利于吸收光通过又可以收集太阳能逡逑电池内部产生的空穴。基底上附着的受体材料一般为宽禁带的介孔半导体材料，其特有逡逑的多孔结构还可以为量子点的紧密吸附提供条件，如Ｔｉ０２和ＺｎＯ等。目前使ＱＤＳＳＣｓ逡逑达到最高光电流密度的电解质是以水为溶剂的多硫化物电解液，但其也有一定的缺陷，逡逑水分子容易挥发的特性和其本身存在的ｐＨ值会对受体材料的能带和表面缺陷造成一定逡逑影响。催化活性好和导电性能好的材料则常作为ＱＤＳＳＣｓ的对电极，如Ｐｔ、Ａｕ以及一逡逑些改性材料。逡逑３逡逑
广西大学硕士学位论文逦石\梯？基复合物在ＣｄＳ量子点敏ｔｔ太阳能电－池里的研究与应用逡逑ＱＤＳＳＣｓ的曲线如图１－２所示，图中＾表示ＱＤＳＳＣｓ的开路电压；人代表其逡逑短路电流密度；当开路电压和短路电流密度达到最佳时（分别用厂？，和表示），得到逡逑ＱＤＳＳＣｓ的最大输出功率尸，？0ｘ，其公式如１－２所示；填充因子（ＦＦ）是ＱＤＳＳＣｓ的Ｊ－Ｆ逡逑特性曲线内所含最大功率面积与开路短路相应的矩形面积（理想形状）比较的量度，对逡逑应的计算公式如１－３所示；ＱＤＳＳＣｓ的光电转化效率；／的计算公式如１－４所示，式中包含逡逑了上述提到的所有参数值。由此可见，将电池中的各项参数值最大化对提高ＱＤＳＳＣｓ的逡逑光电转化效率至关重要。逡逑／Ｐ＾（0／0）邋＝邋＾－0－Ｘ１２４0ＸＪ－逡逑＇逦叫逦（１－１）逡逑４＝人邋ｘ邋匕逦（１．２）逡逑ｎ逦—ＪｍｘＶｍ逡逑￣Ｊ邋ＸＶ邋￣Ｊ逦ＸＶ逡逑５Ｃ邋＂逦＂邋Ｘ逦（１－３）逡逑ｐ邋ＦＦ邋ｘ邋Ｉ邋ｘＶ逡逑ｎ（0／０）＝ｆｊｉ．＝逦：ｃ逦欠邋ｘｌＯＯ％逡逑１逦Ｐ逦Ｐ逡逑ｍ逦ｍ逦（１－４）逡逑１１１邋｜ｍｉ邋ｉｉ，逡逑Ｉ逦Ｐ逡逑＼逡逑＼逡逑ｌ逦＼逡逑１邋＼逡逑
相Ｔｉ０２邋（３．０ｅＶ），这是因为锐钛矿和金红石相Ｔｉ０２结构中的钛氧八面（Ｔｉ０６）单元的逡逑连接方式不同。锐钛矿相Ｔｉ０２为共边八面体，而金红石相则由共边和共顶点的八面体逡逑连接形成，其结构更为稳定［４Ｇ］。如图１－３中的（ａ）和（ｂ）分别展示了邋Ｔｉ０２的锐钛矿和逡逑金红石相结构，图中也可观察到两种晶型均属于四方晶系。逡逑分－？栙p哄义贤迹保冲澹裕
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