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
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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己超过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17.22mA/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)0.35Cl0.2(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)1.10.74H2O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%。
摘要 | 第9-11页 |
Abstract | 第11-12页 |
第一章 绪论 | 第13-48页 |
1.1 世界能源问题 | 第13页 |
1.2 太阳能电池 | 第13-17页 |
1.2.1 太阳辐射光谱分布 | 第13-15页 |
1.2.2 太阳能电池的发展 | 第15-17页 |
1.3 量子点敏化太阳能电池 | 第17-23页 |
1.3.1 量子点敏化太阳能电池的基本结构 | 第17-19页 |
1.3.2 量子点敏化太阳能电池的工作原理 | 第19-21页 |
1.3.3 量子点的优点和缺点 | 第21-23页 |
1.4 量子点敏化太阳能电池的发展现状 | 第23-27页 |
1.4.1 光阳极 | 第23-24页 |
1.4.2 量子点敏化剂 | 第24-25页 |
1.4.3 电解液 | 第25页 |
1.4.4 对电极 | 第25-27页 |
1.4.5 存在的问题 | 第27页 |
1.5 基于TiO_2一维阵列结构光阳极的量子点敏化太阳能电池 | 第27-30页 |
1.5.1 一维TiO_2纳米阵列结构的制备 | 第28-29页 |
1.5.2 一维纳米棒结构TiO_2的制备 | 第29-30页 |
1.6 基于硫化物纳米材料的量子点敏化太阳能电池对电极 | 第30-32页 |
1.7 本工作的研究内容和意义 | 第32-33页 |
参考文献 | 第33-48页 |
第二章 实验技术与仪器 | 第48-54页 |
2.1 试剂与仪器设备 | 第48页 |
2.1.1 试剂 | 第48页 |
2.1.2 仪器设备 | 第48页 |
2.2 TiO_2纳米棒阵列电极的制备 | 第48-50页 |
2.2.1 在FTO透明导电基底表面制备TiO_2种子层 | 第48-49页 |
2.2.2 金红石TiO_2纳米棒阵列的制备 | 第49页 |
2.2.3 金红石TiO_2纳米棒阵列的化学刻蚀 | 第49页 |
2.2.4 CdS和CdSe量子点的原位沉积 | 第49-50页 |
2.3 Co_9S_8空心纳米针阵列的制备 | 第50-51页 |
2.3.1 Co(CO_3)_(0.35)Cl_(0.20)(OH)_(1.10)·1.74H_2O纳米针阵列膜的制备 | 第50页 |
2.3.2 Co_9S_8空心纳米针阵列的制备 | 第50-51页 |
2.4 形貌结构与性质表征 | 第51页 |
2.5 量子点敏化太阳能电池的组装测试 | 第51-53页 |
2.5.1 量子点敏化太阳能电池的组装 | 第51页 |
2.5.2 量子点敏化太阳能电池的测试 | 第51-53页 |
参考文献 | 第53-54页 |
第三章 CdS和CdSe量子点共敏化TiO_2纳米棒阵列光阳极制备及其构效研究 | 第54-79页 |
3.1 引言 | 第54-55页 |
3.2 高比表面积超长TiO_2纳米棒阵列制备 | 第55-60页 |
3.3 CdS/CdSe量子点负载及其表征 | 第60-62页 |
3.4 量子点敏化太阳能电池组装测试 | 第62-72页 |
3.5 本章小结 | 第72-73页 |
参考文献 | 第73-79页 |
第四章 Co_9S_8空心纳米针阵列膜对电极的制备及其电催化性能研究 | 第79-97页 |
4.1 引言 | 第79-81页 |
4.2 Co_9S_8空心纳米针阵列的制备与表征 | 第81-86页 |
4.3 量子点敏化太阳能电池的组装和测试 | 第86-90页 |
4.4 本章小结 | 第90-91页 |
参考文献 | 第91-97页 |
作者在攻读硕士学位期间发表的论文 | 第97-99页 |
致谢 | 第99-100页 |
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