宽光谱铜锌锡硫硒量子点敏化太阳能电池能带调控及性能研究
发布时间：2021-10-11 12:43
多组分Cu2ZnSn（S,Se）4（CZTSSe）半导体材料因其具有组成元素丰富、高的摩尔吸光系数、带隙可调等优势而成为了理想的量子点材料之一。目前,CZTS量子点已经通过水解或阳离子交换的方法被成功地引入到量子点敏化太阳能（QDSSCs）中,但是其器件性能并不理想。通过查阅文献,我们发现导致器件效率低的原因主要有以下两点:其一,量子点的吸光范围较窄;其二,量子点与TiO2膜电极间能带不匹配。此外,量子点的粒径大小也是影响器件性能的关键因素之一。众所周知,量子点的粒径需要控制在一定范围内（通常在5 nm左右）,以确保其在多孔TiO2薄膜中能随机分散。然而,小尺寸CZTS量子点的成核和生长条件都非常严格,常用的包覆配体如油胺和油酸等并不能满足这些条件。因此,针对上述所说问题,本论文将以探索高质量宽光谱CZTSSe量子点合成为出发点,进一步通过元素比例调控、阳离子取代等方式优化能带结构,拓宽量子点的光吸收。系统的开展基于多元CZTSSe量子点的高效QDSC性能和机理的研究,具体内容可分为以下两个部分:（...
【文章来源】：河南大学河南省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
量子点尺寸大小与光谱响应范围、禁带宽度关系图[22]
宽光谱铜锌锡硫硒量子点敏化太阳能电池能带调控及性能研究4图1-2量子点中的多重激子效应原理图[24]1.4量子点敏化太阳能电池的工作原理QDSSCs主要包括光阳极（Photoanode）、对电极（CounterElectrode）和电解质溶液（Electrolyte）三部分[32]。其中，光阳极是由具有介孔结构的宽带隙氧化物半导体薄膜（主要为TiO2）和沉积在上面的量子点（QuantumDot）组成（如图1-3所示）。三者以“三明治”形状进行组装，形成一块完整的电池。从图中能够看出，QDSSCs的工作机制与DSCs类似。在持续的阳光照射下，量子点敏化剂吸收一定能量的光子后，其价带（VB）中的电子被激发到导带（CB），产生电子-空穴对。随后，在量子点导带与金属氧化物导带之间的能级差的驱动下，处于激发态的电子从量子点导带中被迅速注入到宽带隙金属氧化物的导带中（过程1），从而实现电荷分离。接着，电子通过二氧化钛传输层转移到透明导电氧化物衬底上（过程2），最后通过外部电路转移到对电极上。同时，失去电子而变成氧化态的量子点被电解液中的还原性物质还原得到再生（过程3），而氧化态的电解质在CE的催化作用下被外部电路的电子还原（过程4），从而完成一个光电转换的循环。值得注意的是，上述过程是理想的电子传输过程，没有发生任何电荷复合过程。除了上述我们期望的电荷传输过程外，其他一些不需要的过程即电荷重组过程也会同时发生如电子在量子点/电解质界面处复合（过程5）或在TiO2/电解质界面处复合（过程6）[3,32]，这些过程会严重影响太阳能电池的性能。
第一章绪论5图1-3QDSSCs工作原理示意图[32]QDs+hv→QDs(e+h)→TiO2(e)+QDs(h)(1)TiO2(e)+TCO→TiO2+TCO(e)(2)QDs(h)+S2-→QDs+Sn2-(3)Sn2-+CE(e)→S2-(4)Sn2-+QDs(e)→S2-(5)Sn2-+TiO2(e)→S2-(6)1.5量子点敏化太阳能电池的组成结构量子点敏化太阳能电池的光阳极包括宽带隙金属氧化物半导体薄膜和量子点敏化剂。其中，宽带隙氧化物半导体薄膜为光阳极的基底，起着支撑量子点敏化剂和传输光生电子的作用。为了实现电子的有效传输，半导体薄膜应具有以下几点特性：首先，应具有适当的导带边位置，这将决定光生电子的抽取效率以及电池器件的Voc大小；其次，应具有高的电子迁移率，有利于提取的电子在膜内转移并被导电衬底（通常是FTO）收集；再次，为了实现高效的光子捕获，半导体薄膜应具有充足的表面积，以容纳更多的量子点敏化剂；最后，半导体薄膜还应具有化学稳定性好，毒性低，制备简单等优点[33]。因此，QDSSCs中电子输运材料的研究应主要集中在这些关键性质上。目前研究最广泛的传输材料为TiO2和ZnO纳米材料[34,35]。其中，TiO2纳米材料具有化学稳定性好、无毒、成本低等优点，被认为是一种性价比较好的电子传输材料。TiO2纳米材料包括多种结构如纳米颗粒（TiO2-NP）、纳米管（TiO2-NT）和纳米线（TiO2-NW）等[36-38]。其中，
本文编号：3430531
【文章来源】：河南大学河南省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
量子点尺寸大小与光谱响应范围、禁带宽度关系图[22]
宽光谱铜锌锡硫硒量子点敏化太阳能电池能带调控及性能研究4图1-2量子点中的多重激子效应原理图[24]1.4量子点敏化太阳能电池的工作原理QDSSCs主要包括光阳极（Photoanode）、对电极（CounterElectrode）和电解质溶液（Electrolyte）三部分[32]。其中，光阳极是由具有介孔结构的宽带隙氧化物半导体薄膜（主要为TiO2）和沉积在上面的量子点（QuantumDot）组成（如图1-3所示）。三者以“三明治”形状进行组装，形成一块完整的电池。从图中能够看出，QDSSCs的工作机制与DSCs类似。在持续的阳光照射下，量子点敏化剂吸收一定能量的光子后，其价带（VB）中的电子被激发到导带（CB），产生电子-空穴对。随后，在量子点导带与金属氧化物导带之间的能级差的驱动下，处于激发态的电子从量子点导带中被迅速注入到宽带隙金属氧化物的导带中（过程1），从而实现电荷分离。接着，电子通过二氧化钛传输层转移到透明导电氧化物衬底上（过程2），最后通过外部电路转移到对电极上。同时，失去电子而变成氧化态的量子点被电解液中的还原性物质还原得到再生（过程3），而氧化态的电解质在CE的催化作用下被外部电路的电子还原（过程4），从而完成一个光电转换的循环。值得注意的是，上述过程是理想的电子传输过程，没有发生任何电荷复合过程。除了上述我们期望的电荷传输过程外，其他一些不需要的过程即电荷重组过程也会同时发生如电子在量子点/电解质界面处复合（过程5）或在TiO2/电解质界面处复合（过程6）[3,32]，这些过程会严重影响太阳能电池的性能。
第一章绪论5图1-3QDSSCs工作原理示意图[32]QDs+hv→QDs(e+h)→TiO2(e)+QDs(h)(1)TiO2(e)+TCO→TiO2+TCO(e)(2)QDs(h)+S2-→QDs+Sn2-(3)Sn2-+CE(e)→S2-(4)Sn2-+QDs(e)→S2-(5)Sn2-+TiO2(e)→S2-(6)1.5量子点敏化太阳能电池的组成结构量子点敏化太阳能电池的光阳极包括宽带隙金属氧化物半导体薄膜和量子点敏化剂。其中，宽带隙氧化物半导体薄膜为光阳极的基底，起着支撑量子点敏化剂和传输光生电子的作用。为了实现电子的有效传输，半导体薄膜应具有以下几点特性：首先，应具有适当的导带边位置，这将决定光生电子的抽取效率以及电池器件的Voc大小；其次，应具有高的电子迁移率，有利于提取的电子在膜内转移并被导电衬底（通常是FTO）收集；再次，为了实现高效的光子捕获，半导体薄膜应具有充足的表面积，以容纳更多的量子点敏化剂；最后，半导体薄膜还应具有化学稳定性好，毒性低，制备简单等优点[33]。因此，QDSSCs中电子输运材料的研究应主要集中在这些关键性质上。目前研究最广泛的传输材料为TiO2和ZnO纳米材料[34,35]。其中，TiO2纳米材料具有化学稳定性好、无毒、成本低等优点，被认为是一种性价比较好的电子传输材料。TiO2纳米材料包括多种结构如纳米颗粒（TiO2-NP）、纳米管（TiO2-NT）和纳米线（TiO2-NW）等[36-38]。其中，
本文编号：3430531
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3430531.html
