量子点敏化太阳能电池多级结构光阳极的设计及其光电性能研究
发布时间：2020-12-13 10:49
太阳能作为一种可再生能源,储量丰富、分布广泛,通过光伏器件可实现光能转换为电能。量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）因具有多激子效应、禁带宽度可调节、成本低及理论效率高的特点引起了研究学者们的广泛关注。然而,QDSSCs的光阳极存在量子点（QD）负载率低、电子传输阻力大、界面电荷复合严重以及吸光范围窄等问题,电池的实际光电转换效率与理论光电转化效率仍存在较大差距,因此如何提升其光电转换效率具有重要研究意义。考虑到光阳极与光收集、电子注入和电子传输过程密切相关,本论文围绕光阳极的结构设计展开研究。针对量子点负载率低、界面电荷复合严重等问题,设计并构筑了多种具有多级结构的光阳极,系统分析了光阳极结构对QDSSCs性能的影响。主要研究内容及结论如下:（1）为了提高光阳极的比表面积以及电子传输效率,制备了一种上层为TiO2微米花,下层为TiO2分级多孔纳米颗粒的双层结构光阳极。TiO2纳米颗粒的分级多孔结构不但增加了电子传输通道,而且提高了光阳极的比表面积。由纳米棒组装而成的微米花TiO2为CdSe量子点提...
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
量子点敏化太阳能电池的结构[15]
武汉科技大学硕士学位论文41.2.1.4对电极对电极将电子从外部电路转移到电解质中，并在电解质/对电极界面催化氧化电解质的还原反应[21]，因此对电极应当具有高电导率，优异的电催化活性和良好的稳定性[22]。QDSSCs中最常见的对电极材料是Pt，因为它具有良好的催化还原I-/I3-电解质的能力[23]。然而，当Pt对电极与多硫电解质一起使用时，硫原子容易吸附到Pt表面上，导致太阳能电池性能降低。金属硫族化物碳基材料和各种复合材料可以替代Pt对电极，应用于QDSSCs。例如CdS、PbS等，同时对电极材料的研究以Cu、Co、Pb等金属的硫化物为代表的无机金属化合物也受到广泛关注，是一类成本低廉，潜力巨大的对电极材料。其中Cu的硫化物对Sn2-的还原反应具有明显的催化作用，因此是QDSSCs金属硫化物对电极中研究最多的材料。1.2.2QDSSCs的工作原理图1.2QDSSCs中界面电荷转移过程[24]Fig.1.2InterfacialchargetransferprocessinQDSSCs[24]光照时，敏化光阳极的量子点受到光激发产生电子-空穴对，被激发的电子从价带跃迁到导带，并且在价带处留下了空穴。在导带位置上的电子也向宽带隙半导体快速注入，此时量子点因失去电子而处于氧化态。注入金属氧化物导带的电子传输到导电玻璃基底，并在其表面聚集，再经由外部负载到达对电极（CE），产生电流。与此同时，电解液中的还原态物质将氧化态量子点还原，使得量子点再生。氧化态物质扩散到对电极被对电极的电子还原，从而完成整个循环。QDSSCs在光照条件下的光电化学反应如下：（1）量子点被激发产生电子-空穴对，电子由价带跃迁至导带，将空穴留在
武汉科技大学硕士学位论文6（9）注入TiO2导带的电子与量子点的空穴复合过程（图1.2中⑨过程）：QD(h+)+TiO2(e-)→QD+TiO2(1-9)1.2.3评价QDSSCs光电性能的参数评价QDSSCs光电性能的参数如下：开路电压（Voc），短路电流密度（Jsc），填充因子（FF），光电转化效率（PCE），单色光光电转化效率（IPCE）。Jsc是电压为零时电流-电压特性曲线垂直于纵轴的截距；Voc是电流为零时电流-电压特性曲线与横轴的截距。Jsc和Voc围成矩形的面积是电池理论上能输出最大功率（Ptheoretical），而曲线拐点处对应处实际输出功率（Pactual）时的电流（Jmp）和电压（Vmp），由Jmp和Vmp所围成矩形面积为实际输出的最大功率，填充因子（FF）就是两个矩形面积比值，即实际最大输出功率（Pactual）和理论输出功率（Ptheoretical）的比值。式中Pin为太阳光辐射强度（100mW/cm2）。太阳能电池的填充因子以及IPCE计算方法如下：IPCE=Pactual/Pin=(JscVocFF)/Pin(1-10)FF=Pactual/Ptheoretical=(JmpVmp)/(JscVoc)(1-11)图1.3QDSSCs电流密度-电压特征曲线Fig.1.3Currentdensity-voltagecharacteristiccurveinQDSSCs
【参考文献】：
硕士论文
[1]反蛋白石结构光子晶体光电极的制备及其可见光下光电性能的研究[D]. 单体育.大连理工大学 2014
本文编号：2914428
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
量子点敏化太阳能电池的结构[15]
武汉科技大学硕士学位论文41.2.1.4对电极对电极将电子从外部电路转移到电解质中，并在电解质/对电极界面催化氧化电解质的还原反应[21]，因此对电极应当具有高电导率，优异的电催化活性和良好的稳定性[22]。QDSSCs中最常见的对电极材料是Pt，因为它具有良好的催化还原I-/I3-电解质的能力[23]。然而，当Pt对电极与多硫电解质一起使用时，硫原子容易吸附到Pt表面上，导致太阳能电池性能降低。金属硫族化物碳基材料和各种复合材料可以替代Pt对电极，应用于QDSSCs。例如CdS、PbS等，同时对电极材料的研究以Cu、Co、Pb等金属的硫化物为代表的无机金属化合物也受到广泛关注，是一类成本低廉，潜力巨大的对电极材料。其中Cu的硫化物对Sn2-的还原反应具有明显的催化作用，因此是QDSSCs金属硫化物对电极中研究最多的材料。1.2.2QDSSCs的工作原理图1.2QDSSCs中界面电荷转移过程[24]Fig.1.2InterfacialchargetransferprocessinQDSSCs[24]光照时，敏化光阳极的量子点受到光激发产生电子-空穴对，被激发的电子从价带跃迁到导带，并且在价带处留下了空穴。在导带位置上的电子也向宽带隙半导体快速注入，此时量子点因失去电子而处于氧化态。注入金属氧化物导带的电子传输到导电玻璃基底，并在其表面聚集，再经由外部负载到达对电极（CE），产生电流。与此同时，电解液中的还原态物质将氧化态量子点还原，使得量子点再生。氧化态物质扩散到对电极被对电极的电子还原，从而完成整个循环。QDSSCs在光照条件下的光电化学反应如下：（1）量子点被激发产生电子-空穴对，电子由价带跃迁至导带，将空穴留在
武汉科技大学硕士学位论文6（9）注入TiO2导带的电子与量子点的空穴复合过程（图1.2中⑨过程）：QD(h+)+TiO2(e-)→QD+TiO2(1-9)1.2.3评价QDSSCs光电性能的参数评价QDSSCs光电性能的参数如下：开路电压（Voc），短路电流密度（Jsc），填充因子（FF），光电转化效率（PCE），单色光光电转化效率（IPCE）。Jsc是电压为零时电流-电压特性曲线垂直于纵轴的截距；Voc是电流为零时电流-电压特性曲线与横轴的截距。Jsc和Voc围成矩形的面积是电池理论上能输出最大功率（Ptheoretical），而曲线拐点处对应处实际输出功率（Pactual）时的电流（Jmp）和电压（Vmp），由Jmp和Vmp所围成矩形面积为实际输出的最大功率，填充因子（FF）就是两个矩形面积比值，即实际最大输出功率（Pactual）和理论输出功率（Ptheoretical）的比值。式中Pin为太阳光辐射强度（100mW/cm2）。太阳能电池的填充因子以及IPCE计算方法如下：IPCE=Pactual/Pin=(JscVocFF)/Pin(1-10)FF=Pactual/Ptheoretical=(JmpVmp)/(JscVoc)(1-11)图1.3QDSSCs电流密度-电压特征曲线Fig.1.3Currentdensity-voltagecharacteristiccurveinQDSSCs
【参考文献】：
硕士论文
[1]反蛋白石结构光子晶体光电极的制备及其可见光下光电性能的研究[D]. 单体育.大连理工大学 2014
本文编号：2914428
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