纳米棒阵列基碳对电极无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池研究

摘要

伴随着太阳能电池研究的发展，尤其是染料敏化太阳能电池(DSSCs)出现之后，多种形貌的ZnO和TiO2纳米材料被广泛用作电子传输半导体进行深入研究。在诸多形貌的ZnO和TiO2纳米材料中，一维结构具有提供快速电子传输通道的作用，所以，将一维ZnO和TiO2纳米棒(NR)应用于太阳能电池中，将有利于电池光电性能的提高。
　　钙钛矿太阳能电池(PSCs)以其高效率、全固态、易制作等优势逐渐成为敏化类太阳能团电池的研究主流，最近5年转化效率最高已达到22.1％，这种PSCs的结构包含有空穴传输层材料(简称HTM)和贵金属对电极，但是空穴传输层和贵金属电极价格昂贵，且制备条件较为苛刻，为降低电池制备成本和简化制备工序，全印刷工艺制备的以TiO2颗粒膜为半导体层、无空穴传输层、以ZrO2作为隔绝层、碳为对电极的PSCs应运而生，通过对电池结构、钙钛矿和碳电极等的大量研究，这种电池的效率已经达到12.8％以上。有大量研究表明，半导体层的形貌、结构等对PSCs电池的电池性能有较大影响，基于一维ZnO和TiO2纳米棒阵列在太阳能电池半导体层的优势，本论文首次将纳米棒阵列用作半导体层应用于无空穴传输层、以ZrO2作为隔绝层、碳为对电极的PSCs，具体的研究内容和主要结论如下:
　　(1)采用水热法制备ZnO NR，通过控制水热反应的时间得到不同长度的ZnO NR，并首次使用ZnO NR阵列为基底组装成无空穴传输层、以碳为对电极的PSCs。在标准太阳辐射、室温条件下测量所得的ZnO NR基PSCs的I-V性能。实验表明，基于ZnO NR的PSCs显示出较高的性能，光电转换效率可达到5.56％，阵列结构有利于钙钛矿的填充，最佳的ZnO半导体厚度约1μm。
　　(2)为了减小ZnO NR基PSCs在ZnO纳米棒表面发生的电子复合，利用TiCl4溶液对ZnO NR阵列进行处理，成功制备得到ZnO/TiO2NR核壳结构的纳米棒阵列，并应用于PSCs，且对其光电性能进行了测试。大量的实验统计数据显示，以ZnO/TiO2核壳结构NR阵列为半导体层的PSCs的电池效率可达到8.24％。EIS研究表明，与相应的基于TiO2NR的PSCs相比，ZnO NR基PSCs具有更小的传输电阻，同时ZnO/TiO2核壳结构中表面的TiO2对反向电子复合具有阻碍作用，从而使得ZnO/TiO2核壳结构NR阵列PSCs具有比ZnO NR阵列PSCs更高的效率。
　　(3)本文采用水热法合成一维TiO2NR阵列，并首次将TiO2NR阵列应用于PSCs。通过控制晶种层的形貌、钛源材料、水热合成温度、合成时间等，控制合成一维TiO2NR阵列，并讨论其生长机理。研究发现，TiO2NR阵列的截面直径随着基底的颗粒直径的增加而增加;晶种层颗粒分布越密集，TiO2NR阵列生长的速度越快;反应溶液中Cl-阴离子的浓度在一定范围内越高，TiO2NR阵列的长度越长。将该TiO2NR阵列组装成PSCs电池，进行了光电性能测试，最高的效率可达到9.07％。
　　(4)将一维ZnO NR阵列应用于量子点敏化太阳能电池QDSSCs，分别用CdS和CdS/CdSe进行敏化，对其电池性能、紫外-可见光吸收光谱、电化学阻抗等性能进行了测试。研究发现，在CdS敏化过程中，SILAR循环次数增多可以继续提高CdS的数量和电池吸收可见光的能力，但同时增大了电子在形成的CdS层中的迁移阻力，导致光电效率降低，循环30次的ZnO/CdS的QDSSCs光电性能最好，达到0.3％。将ZnO进行CdS/CdSe共敏化，电池效率提高了约30％，证明共敏化是提高QDSSCs的有效途径，不仅能提高量子点吸收可见光的范围，而且ZnO/CdS/CdSe光阳极组成的能带梯形结构使电子传输速率增大，光生电子损耗减小，电池性能提高。

目录

声明

摘要

1．1 能源问题

1．2 一维TiO2和ZnO纳米材料

1．2．1 一维TiO2纳米材料

1．2．2 一维ZnO纳米材料

1．3 量子点敏化太阳能电池

1．3．1 QDSSCs的主要组成和基本原理

1．3．2 量子点共敏化太阳能电池

1．4 全固态太阳能敏化电池

1．4．1 基于金属对电极的有HTM层的PSCs

1．4．2 无HTM层的PSCs

1．4．3 钙钛矿太阳能电池性能参数

1．5 选题背景及创新点

1．5．1 选题背景

1．5．2 创新点

第二章 一维ZnO／TiO2纳米棒阵列基无空穴传输层的碳对电极钙钛矿太阳能电池

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂及仪器

2．2．2 样品制备

2．2．3 电池组装

2．2．4 样品表征

2．3 结果与分析

2．3．1 一维ZnO NR阵列基无HTM层碳对电极PSCs

2．3．2 一维ZnO／TiO2 NR基无HTM层碳对电极PSCs研究

2．4 本章小结

第三章 一维TiO2 NR基无空穴传输层的碳对电极钙钛矿太阳能电池

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．2 样品制备

3．2．3 电池组装

3．2．4 样品表征

3．3 结果与分析

3．3．1 不同钛源制作的晶种对TiO2NR生长的影响及其无HTM层的碳对电极PSCs光电性能测试

3．3．2 不同水热反应时间对TiO2生长的影响

3．3．3 不同水热反应温度对TiO2生长的影响

3．3．4 水热反应溶液中浓HCl与水的比例对TiO2 NR生长的影响

3．4 本章小结

第四章 一维ZnO NR基CdS／CdSe共敏化太阳能电池研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂及仪器

4．2．2 样品制备

4．2．3 电池组装

4．2．4 样品表征

4．3 结果与分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

在校期间发表的论文

致谢