硫族半导体材料的陷光结构设计、制备及太阳能利用研究

发布时间：2017-10-30 23:13

  本文关键词：硫族半导体材料的陷光结构设计、制备及太阳能利用研究

  更多相关文章： 硫族镉化物 纳米片阵列 光吸收增强 杂化电池 裂解水

【摘要】：光吸收是决定太阳能器件性能好坏的重要原因之一。但对于大部分半导体,其固有的高折射率会导致严重的光吸收损失。到目前为止,如何提升器件的有效光吸收仍然是一个巨大的挑战。为此,我们制备了一系列具有陷光效应的纳米结构,包括纳米片阵列和反蛋白石结构,将其运用在太阳能电池和光电解水产氢领域,并获得了光电转换效率的有效提升。1.制备了一系列不同材料的纳米片阵列结构。将其作为光吸收材料可以获得95%的吸光效率(对于硫化镉材料),远高于薄膜和多孔结构的光吸收。进一步研究表明片层结构的吸收增强作用来源于片与片之间的多重散射效应。这种结构的光吸收增强作用广泛适用于多种材料体系,包括硫化镉,硒化镉,铜锌硒硫,甚至是金属镉。2.纳米片阵列结构不但可以增强自身材料的光吸收,还可以作为一种功能化的骨架来负载有机物,利用骨架恰当的几何结构来提升负载物的吸光效率。实验表明,对于15 nm厚的P3HT薄膜来说,其吸收效率可以被提升至95%。将这种具有陷光效应的阳极骨架应用于有机无机杂化电池中,使CdS纳米片阵列/P3HT电池展现出4.4 mA cm-2的光电流密度,10倍于传统的CdS/P3HT薄膜结构电池。进一步的研究表明,整个光电流的提升来源于CdS和P3HT的共同贡献。3.设计了一种CdS/P3HT空腔电池结构,它拥有以下特点:(1)具有陷光效应的CdS纳米片阵列作为骨架,(2)将P3HT以薄膜的形式包覆在CdS片层外侧形成核-壳结构,(3)中空的孔洞以及平铺的Au电极。得益于对入射光的有效吸收以及对空穴传输路径的优化,这种新型的结构获得了3.4 mA cm-2的光电流密度和0.52%的光电转换效率,远高于薄膜及传统的P3HT完全填充电池。将这种电池结构概念引入到CdSe/P3HT中,获得了类似的光电流提升。表明这种结构不仅适用于宽带隙半导体,而且在窄带隙半导体和P3HT的电池体系中同样奏效。4.制备了CdS的反蛋白石结构,并将其应用于光电化学裂解水制氢。由于反蛋白石结构恰当的孔壁厚度及多孔的结构特点,可以有效提升光吸收效率并促进空穴的传输。优化后的CdS反蛋白石电极表现出3.1 mA cm-2的光电流密度,这是薄膜结构电极的3.1倍。在3小时的持续光照下该电极的光电流也不会发生明显衰减,变现出很高的稳定性。通过包覆CdSe的方法可以将CdS反蛋白石结构的光电流进一步提升至10.5 mA cm-2
【关键词】：硫族镉化物 纳米片阵列 光吸收增强 杂化电池 裂解水
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-39
• 1.1 引言10-12
• 1.2 太阳能的利用12-26
• 1.2.1 太阳能电池12-23
• 1.2.1.1 无机太阳能电池12-14
• 1.2.1.2 有机太阳能电池14-15
• 1.2.1.3 杂化太阳能电池15-23
• 1.2.1.3.1 杂化太阳能电池的研究现状16-19
• 1.2.1.3.2 杂化太阳能电池现存的问题19-23
• 1.2.2 光电化学催化分解水23-26
• 1.2.2.1 光电化学催化分解水的基本原理23-24
• 1.2.2.2 光电化学催化分解水的研究现状及现存问题24-26
• 1.3 太阳能器件中的主要吸光材料---金属硫族半导体26-30
• 1.3.1 金属硫族化合物的基本性质26-28
• 1.3.2 金属硫化物材料在太阳能领域的研究现状及现存问题28-30
• 1.4 太阳能器件的结构设计--具有光吸收增强效应的纳米结构30-37
• 1.4.1 构建光吸收增强结构的重要意义30-31
• 1.4.2 吸光材料光吸收不足的原因及常规解决方法31-33
• 1.4.3 利用新型纳米结构实现光吸收增强的研究现状33-37
• 1.4.3.1 表层纳米结构化实现整体吸收增强34-35
• 1.4.3.2 底层纳米结构化实现整体吸收增强35
• 1.4.3.3 吸光层自身的纳米结构化35-37
• 1.5 本论文的研究意义和主要内容37-39
• 第二章 实验原料与实验装置39-44
• 2.1 实验原料39-40
• 2.2 实验设备40-42
• 2.3 表征设备42-44
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)42
• 2.3.2 透射电子显微镜(TEM)42
• 2.3.3 X射线衍射(XRD)42-43
• 2.3.4 紫外可见分光光度计43
• 2.3.5 光致发光分光光度计43
• 2.3.6 傅立叶红外光谱仪43
• 2.3.7 原子吸收43
• 2.3.8 电化学工作站43
• 2.3.9 气相色谱仪43-44
• 第三章 具有吸收增强效应的纳米片阵列的研究44-59
• 3.1 本章引言44-45
• 3.2 实验部分45-46
• 3.2.1 镉纳米片阵列模板的制备45
• 3.2.2 硫化镉和硒化镉纳米片阵列的制备45
• 3.2.3 硫化镉对比样品的制备45
• 3.2.4 Cd元素原子吸收的测试45-46
• 3.3 结果与讨论46-58
• 3.3.1 硫化镉纳米片阵列的可控制备46-48
• 3.3.2 纳米片阵列对硫化镉吸收的增强作用48-54
• 3.3.3 纳米片阵列结构最优参数的探讨54-55
• 3.3.4 纳米片阵列结构光增强效应的推广55-58
• 3.3.4.1 硒化镉纳米片阵列的光吸收增强56
• 3.3.4.2 铜锌硒硫纳米片阵列的光吸收增强56-57
• 3.3.4.3 镉纳米片阵列的光吸收增强57-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 CdS纳米片阵列在杂化电池中的应用59-70
• 4.1 本章引言59
• 4.2 实验部分59-60
• 4.2.1 硫化镉纳米片阵列及硫化镉薄膜的制备59-60
• 4.2.2 杂化电池的组装60
• 4.2.3 CdS薄膜和纳米片阵列表面积关系的估算60
• 4.3 结果与讨论60-69
• 4.3.1 纳米片阵列对负载其上的超薄有机物层的吸收增强作用60-64
• 4.3.2 纳米片阵列结构对杂化太阳能电池性能的提升64-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 纳米片/P3HT空腔电池设计及性能研究70-89
• 5.1 本章引言70-73
• 5.2 实验部分73-76
• 5.2.1 硫纳米片阵列模板的制备73
• 5.2.2 硫化镉和硒化镉纳米片阵列的制备73-74
• 5.2.3 硫化镉薄膜样品的制备74
• 5.2.4 空腔杂化电池的组装74-75
• 5.2.5 有机物完全填充杂化电池的组装75
• 5.2.6 薄膜杂化电池的组装75-76
• 5.3 结果与讨论76-88
• 5.3.1 电池的构建与表征76-78
• 5.3.2 光电性能的测试78-81
• 5.3.3 空腔电池结构对器件内有效光吸收的提升81-85
• 5.3.4 空腔电池结构对少数载流子传输的促进作用85-87
• 5.3.5 空腔电池结构性能提升的原因及体系的扩展87-88
• 5.4 本章小结88-89
• 第六章 CdS反蛋白石结构光电产氢研究89-103
• 6.1 本章引言89-90
• 6.2 实验部分90-92
• 6.2.1 硫化镉反蛋白石结构的制备90-91
• 6.2.2 硫化镉薄膜的制备91
• 6.2.3 光电化学裂解水产氢性能的测试91-92
• 6.3 结果与讨论92-102
• 6.3.1 CdS反蛋白石阳极结构的构建与表征92-93
• 6.3.2 光电产氢性能的测试93-96
• 6.3.3 CdS反蛋白石结构的吸收增强效应96-98
• 6.3.4 CdS反蛋白石结构对空穴分离动力学的提高98-100
• 6.3.5 光电产氢性能提升机理的探究100
• 6.3.6 CdS反蛋白石/CdSe电极的构建及器件性能的进一步提升100-102
• 6.4 本章小结102-103
• 第七章 全文总结103-105
• 参考文献105-121
• 发表论文和参加科研情况说明121-122
• 附录122-123
• 致谢123-124

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