CdS/CdSe量子点敏化TiO2纳米棒阵列光阳极和一维硫化钴纳米针阵列对电极的研究

摘要

太阳能的转化和利用是解决能源危机和环境污染的最有希望的途之一，受到了全球普遍关注。量子点敏化太阳能电池因其制备简单、成本低廉、理论效率高、电池可设计性强等优点，被认为是极具潜力的光电转换器件。目前量子点敏化太阳能电池的光电转换效率已超过6％，但离大规模实际生产应用还有很大距离。一维纳米材料可提供较短的电子传输路径，有利于电子在纳米材料中的传导。具有一维有序结构的阵列纳米材料应用到量子点敏化太阳能电池，有望进一步提高其光电转换效率。
　　本论文主要工作:(1)在FTO透明导电基底表面制备致密的超长TiO2纳米棒阵列膜，并通过浓盐水热化学刻蚀改变TiO2纳米棒阵列的表面形貌，增大其比表面积，同时探索经刻蚀TiO2纳米棒阵列膜应用于CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的光阳极;(2)通过水热模板法在FTO透明导电基底表面制备Co9S8空心纳米针阵列，并将这种Co9S8电极作为对电极应用到量子点敏化太阳能电池。主要研究成果如下:
　　1.采用水热法在FTO透明导电基地表面制备了超长金红石TiO2纳米棒阵列膜，通过水热刻蚀改变TiO2纳米棒阵列的形貌、增大膜层的比表面积。在TiO2纳米棒阵列膜表面沉积CdS和CdSe量子点，成功制备了CdS/CdSe量子点敏化TiO2光电极。进而系统的考察了水热刻蚀对TiO2纳米棒阵列形貌的影响、CdSe量子点沉积过程的特征。还研究了通过水热刻蚀得到的不同形貌的TiO2纳米棒阵列膜与太阳能电池之间的构效关系，CdSe量子点沉积量对电池性能的影响。证实了较长（＞10μm）的TiO2纳米棒阵列膜可以获得更好的光电性能。制备的CdS/CdSe量子点敏化TiO2纳米棒阵列光电极获得了17.22 mA/cm2的短路电流密度，这是目前基于CdS/CdSe量子点敏化TiO2纳米棒阵列光阳极太阳能电池的最高纪录。
　　2.采用简单的化学水浴法在FTO透明导电基底表明制备了均匀规整的Co(CO3)0.35Cl0.20(OH)1.10·1.74H2O纳米针阵列膜层，并通过水热法将这种纳米针阵列转化为Co9S8空心纳米针。用TiCl4水溶液对FTO导电基底预处理以提高Co9S8纳米针阵列膜层与FTO导电基底结合力。首次实现了在FTO导电基底表面制备数微米长的Co9S8空心纳米针阵列膜。进而系统地研究了Co(CO3)0.35Cl0.20(OH)1.10·1.74H2O转化为Co9S8的过程，并阐明了实心结构纳米针转换为空心结构纳米针的转换机理。通过退火处理提高Co9S8空心纳米针阵列的结晶度，并将制备的Co9S8电极应用于量子点敏化太阳能电池对电极，使量子点敏化太阳能电池的光电转换效率到达3.72％，这比基于Pt对电极的量子点敏化太阳能电池的光电转换效率提高了近75％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 世界能源问题

1．2 太阳能电池

1．2．1 太阳辐射光谱分布

1．2．2 太阳能电池的发展

1．3 量子点敏化太阳能电池

1．3．1 量子点敏化太阳能电池的基本结构

1．3．2 量子点敏化太阳能电池的工作原理

1．3．3 量子点的优点和缺点

1．4 量子点敏化太阳能电池的发展现状

1．4．1 光阳极

1．4．2 量子点敏化剂

1．4．3 电解液

1．4．4 对电极

1．4．5 存在的问题

1．5 基于TiO2一维阵列结构光阳极的量子点敏化太阳能电池

1．5．1 一维TiO2纳米阵列结构的制备

1．5．2 一维纳米棒结构TiO2的制备

1．6 基于一维硫化物纳米材料的量子点敏化太阳能电池对电极

1．7 本工作的研究内容和意义

参考文献

第二章 实验技术与仪器

2．1 试剂与仪器设备

2．1．1 试剂

2．1．2 仪器设备

2．2 TiO2纳米棒阵列电极的制备

2．2．1 在FTO透明导电基底表面制备TiO2种子层

2．2．2 金红石TiO2纳米棒阵列的制备

2．2．3 金红石TiO2纳米棒阵列的化学刻蚀

2．2．4 CdS和CdSe量子点的原位沉积

2．3 Co9S8空心纳米针阵列的制备

2．3．1 Co(CO3)0．35Cl0．20(OH)1．10·1．74H2O纳米针阵列膜的制备

2．3．2 Co9S8空心纳米针阵列的制备

2．4 形貌结构与性质表征

2．5 量子点敏化太阳能电池的组装测试

2．5．1 量子点敏化太阳能电池的组装

2．5．2 量子点敏化太阳能电池的测试

参考文献

第三章 CdS和CdSe量子点共敏化TiO2纳米棒阵列光阳极制备及其构效研究

3．1 引言

3．2 高比表面积超长TiO2纳米棒阵列制备

3．3 CdS／CdSe量子点负载及其表征

3．4 量子点敏化太阳能电池组装测试

3．5 本章小结

参考文献

第四章 Co9S8空心纳米针阵列膜对电极制备及其电催化性能研究

4．1 引言

4．2 Co9S8空心纳米针阵列的制备与表征

4．3 量子点敏化太阳能电池的组装和测试

4．4 本章小结

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

致谢