半导体纳米结构太阳电池的研究

发布时间：2018-01-11 19:28

本文关键词：半导体纳米结构太阳电池的研究　出处：《上海交通大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着近现代微观结构(纳米结构尺度：10-7m)的制备技术与探测表征技术的日渐成熟,半导体纳米结构的许多其体材料形式所没有的物理化学性能纷纷被研究、开发与利用。例如,在传统的光电子器件的基础上,通过使用纳米材料的新结构、新概念,可以得到传统器件原本所达不到的性能水平(比如量子阱激光器更低的阈值电流要求、更窄的谱线宽度),或者是拓展出器件新的应用领域(比如发光谱可变的场效应碳纳米管发光二极管)。本论文的研究集中于太阳电池这一偏重将光辐射能量转换为电能的半导体器件,着眼于目前广受关注的能源危机与环境问题,通过一系列对于新型敏化太阳电池的光阳极基底(TiO2多孔膜,TiO2纳米管阵列)和敏化剂(染料,PbS量子点)的制备、表征、改性、应用研究,取得了很多对敏化电池的改进与发展有重要促进作用的结论,对TiO2纳米管阵列和PbS量子点以外其他的纳米材料、纳米结构的制备也有很大的借鉴意义。目前,清洁而可持续的太阳能的发电利用主要是由晶硅电池实现的,不过由于高成本问题,大规模光伏发电还是受到经济上的制约,因此,很多学术研究将目标定位在了效率上能和晶硅电池比拟、成本上又低得多的新型电池上,其中,敏化电池是一种很有价值的新概念电池。它的结构与载流子转移输运机理与常规的pn结构造及其内建电场原理不同,依靠载流子自发的向低能级转移的过程完成电子(或是空穴)输运,其光吸收材料与载流子输运材料也彼此独立。传统上,光阳极是由Ti02纳米晶多孔膜通过涂覆方式空间置构的,但其无序的结构易导致载流子在光阳极内部发生散射,增加暗电流,降低量子效率。如果使用在竖直方向上有序的Ti02纳米结构阵列代替多孔结构,很可能会在敏化电池的光学、电学性能平衡性上取得突破。在众多Ti02的导向性纳米结构中,纳米管阵列(nanotube arrays, NTAs)是一种竖直方向上高度有序,二维平面方向上周期循环分布,空间结构高度可调的存在形式。这种奇异的结构赋予了钛管阵列与众不同的特性,使其在太阳电池、光催化器件、传感器以及超级电容器等领域有着重要的发展前景。目前,通过电化学系统制备TiO2NTAs已经非常成熟,重复性高、可控性好。不过可惜的是,关于自组织过程的基本原理问题仍缺少一种一锤定音的结论,这种机理上的不了解也很大程度上影响了我们对于TiO2NTAs更灵活、更具有创造性的调控。而在管基的敏化电池应用方面,不管是染料敏化的(dye-sensitized)还是量子点敏化的(quantum dots-sensitized),其效率均未超过基于多孔膜的敏化电池。本文中,我们首先对于纳米管的可控性操作做了基础研究和机理分析,掌握了氧化时间、氧化电压、电解液成分等电化学实验条件对于TiO2NTAs形貌的影响,为随后的敏化电池中光阳极的应用打下基础。更深入的,我们捕捉到了氧化-分解过程中宏观电流变动与微观离子浓度变动的对应关系,建立了新的离子漂移与扩散机制钛管生长理论,设计出一些宏观上就能方便实现的调制手段来解决纳米管的改良问题和新结构的制备问题,制备出特别光滑、高导向性和致密性的TiO2在的制备速度上,这些调制手段也有明显的影响,纳米管生长速度可以从20μm/h加快到122μm/h,增幅超过5倍。其次,我们对基于TiO2NTAs的染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cells, DSSCs)进行了性能改进的研究。通过构造纳米管新的空间次级结构来营造更大的表面积,最合适的HF水溶液所修饰的样品比未经处理的对照样品有超过35%的效率提升；进一步结合TiCl4修饰与物理调制以抵消HF处理所带来的管壁连续性受破坏等电学性能上的不利影响,光背入射式染料敏化电池的效率最终达到了4.35%,比参比样品高出114%。基于这样的增幅效果,如果能够结合电池其他关键部分的发展,管基染料敏化电池的效率还能进一步得到提升。最后,我们还对基于TiO2NTAs的PbS量子点敏化太阳电池(quantum dots-sensitized solar cells, QDSSCs)进行了性能改进的研究,并且首次实现了其效率超过多孔膜电池的转换效率。高效PbSQDSSCs的实现主要归功于我们基于传统水热法合成QDs的经验所改进开发出的新型电场辅助化学浴沉积法(electric-field assisted chemical bath deposition, EACBD)。我们利用电场的吸引先将Pb离子聚集在TiO2NTAs表面,再注入S离子,从而PbS QDs被引导于Ti02NTAs上大量合成,形成结合力稳固的原位生长。通过这种方式,我们同时实现了敏化剂吸附量的增加和载流子复合率的降低。以上研究得到了国家科技部重大研究计划课题(2012CB934302)以及国家自然科学基金(11074169,11174202,11204176和61234005)的资助。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4

【参考文献】