二氧化钛纳米棒阵列基太阳能电池研究

发布时间：2020-05-25 06:53

【摘要】：新型太阳能电池是近年来广大科研工作者关注和研究的热点,TiO_2纳米棒阵列易制备、性能稳定、环境友好,作为于太阳能电池的电子传输层具有独特优势。基于溶液法制备的纳米材料用于构筑高性能、高稳定、低成本的有机无机杂化太阳能电池,依靠其气氛可控、反应条件温和工艺简单的优势,成为充分利用太阳能的有效途径,进而解决能源短缺和环境污染等问题。水热法合成的二氧化钛纳米棒阵列并用于光伏器件制备是本研究工作的重点。我们采用水热法制备的Zn元素掺杂的FeS_2,得到的产物是微球状颗粒,这些微球是由很多形状规则的棱形纳米片组成,尺寸均匀,表面相对光滑,本工作创新之处在于我们首次对二硫化亚铁材料进行了掺杂,调节其光电学性能。另外,在水热法合成二氧化钛纳米棒阵列方面,通过调节反应的时间和温度可以有效控制TiO_2纳米棒的长度,另外在水热反应前制备TiO_2种子层,得到的纳米棒径向生长,平整致密。对TiO_2纳米棒进行改性研究,经Ag_2S量子点修饰TiO_2纳米棒形成的异质结构有利于界面处电子转移,而碱处理TiO_2纳米棒有效降低TiO_2表面的氧空位缺陷密度,有效地抑制了TiO_2/钙钛矿界面光生载流子的复合反应。本论文的光电器件应用研究主要分为两个部分:第一部分是通过改性两步溶液法制备Ag_2S量子点修饰二氧化钛纳米棒阵列,表征了Ag_2S/TiO_2核壳结构的形貌和光电性能,并将优化后的二氧化钛纳米棒阵列应用在PCPDTBT有机太阳能电池中作为电子传输材料,研究了器件的光电特性;第二部分是用弱氨水处理水热生长的二氧化钛纳米棒阵列,表征了不同长度以及优化后的纳米棒阵列的形貌,在器件应用中是钙钛矿太阳能电池的空穴阻挡层,研究了碱处理前后钙钛矿太阳能电池的光电性能。太阳能电池器件方面的具体的研究内容和结果如下:一、在特定温度下通过控制反应时间制备致密平整的长度300-1200 nm的TiO_2纳米棒阵列,然后采用两步溶液法在纳米棒阵列表面制备Ag_2S量子点修饰层,并将该复合纳米棒阵列用于有机半导体高分子的电子受体材料,在有机无机杂化体异质结界面的Ag_2S量子点加速了激子分离。并且优化后器件的电荷转移能力增强,最终优化后的器件效率增加73%,因此这种核壳结构是一种很好的光伏器件电子传输层,拥有级联II型异质结的核壳形纳米棒阵列作为电子传输层在器件界面中电荷转移能力较高,是一种很有发展前景的纳米结构。二、采用弱氨水处理水热法合成的二氧化钛纳米棒阵列并进行退火,将优化后的TiO_2纳米棒阵列作为MAPbI_3钙钛矿太阳能电池的电子传输层,研究了碱处理TiO_2纳米棒阵列对光伏器件性能的影响,我们发现优化后的器件的电流密度与未处理器件相比提高了5%,光电转换效率由未处理的15.2%提高到碱处理后的16.6%.我们认为通过氨水处理,弱碱性氨水溶液提供的OH~-基团能够填充TiO_2纳米棒表面的氧空位和悬挂的钛离子键。在高温退火过程中,Ti-OH基团分解形成Ti-O基团,因此降低了氧空位密度,降低的缺陷态和增强的界面电荷分离导致器件效率和性能的提高。
【图文】：

截面图,纳米棒,截面图,种子层

TiO2致密层的纳米棒的 SEM 图（a）、（c）分别是在 FTO 上生长的（b）、（d）分别是在种子层上生长的 TiO2纳米棒的表面和截面图，100 nm TEM 图中（a）、（b）可以看出，TiO2纳米棒形状规则，长关，单根纳米棒呈单晶态，表面光滑平整，直径大约在 50-10是 TiO2纳米棒的高分辨率透射扫描电镜图，很明显纳米棒看出纳米棒结构的晶格条纹，这些都表明我们用水热法成功米棒晶体。

纳米棒,透射电子显微镜,放大倍数,种子层

致密层的纳米棒的 SEM 图（a）、（c）分别是在 FTO 上、（d）分别是在种子层上生长的 TiO2纳米棒的表面和截100 nmM 图中（a）、（b）可以看出，，TiO2纳米棒形状规则单根纳米棒呈单晶态，表面光滑平整，直径大约在 5TiO2纳米棒的高分辨率透射扫描电镜图，很明显纳纳米棒结构的晶格条纹，这些都表明我们用水热法晶体。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】