基于新型量子点敏化太阳电池的研究

来源 :厦门大学 厦门大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gymc2009
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量子点敏化太阳电池(QDSSC)具有光吸收性能好、带隙可调控、成本低、理论光电转化效率高等优点,在光伏电池领域表现出良好的应用前景。其中,三元CuInS2(CIS)胶体量子点、有机金属卤化物钙钛矿作为一种理想的半导体光敏化剂在量子点(QDs)敏化太阳电池领域备受关注,其毒性小,禁带宽度为1.5eV,接近太阳电池的最佳禁带宽度(1.45eV)。但迄今为止,该类太阳电池的光电转换效率仍远低于传统硅太阳能电池,有待进一步研究。  本文利用简单的直接加热法制备CuInS2 QDs,并以巯基乙酸为双功能耦联剂,采用耦联剂辅助吸附法制备CuInS2敏化的TiO2多孔纳米薄膜。进一步采用连续离子吸附层法对CuInS2 QDs敏化的TiO2薄膜进行CdS包覆,光电转换性能大大提高。此外,采用钙钛矿材料代替CuInS2量子点敏化剂,并探讨了不同工艺条件对其电池性能的影响。具体研究内容和实验结果如下:  1.CuInS2量子点敏化太阳电池的研究  (1)分别以碘化亚铜(CuI)、醋酸铟(In(OAc)3)和正十二硫醇(DDT)为铜源、铟源和硫源,采用直接加热法制备CuInS2量子点。探讨反应时间对CuInS2晶体结构和光学性能的影响,实验结果表明:所制备的CuInS2量子点为黄铜矿结构,且尺寸分布窄、具有量子尺寸效应;随着反应时间的延长,量子点逐渐长大,吸收峰和荧光发射峰红移,发光强度逐渐增强。  (2)以巯基乙酸为双功能耦联剂,使表面包覆DDT的CuInS2量子点(DDT-CuInS2)锚定至多孔纳米TiO2光阳极内表面,然后采用连续离子吸附层法进行CdS包覆,并以此作为光阳极,组装成量子点敏化太阳电池。反应时间为15 min的CuInS2 QDs表现出最优的吸附能力以及光电转换性能,且包覆CdS后光电转换性能达到2.8%,这主要源于CdS的包覆降低了TiO2/CuInS2界面的电子复合,并使光生空穴有效抽出,从而有效地提高了电池性能。  2.CH3NH3PbI3钙钛矿太阳电池的研究  (1)以甲胺的乙醇溶液和碘化氢的水溶液为原材料,制备得到甲基碘化铵粉末,再与碘化铅在60℃反应12小时,洗涤过滤后得到CH3NH3PbI3钙钛矿。  (2)通过调控TiO2浆料与松油醇、乙基纤维素的配比,分别获得了250 nm,600 nm,1000nm三种不同厚度的TiO2纳米颗粒多孔薄膜光阳极。其中1000nm的TiO2膜厚过厚,不利于电荷的传输;而250nm的TiO2膜厚过薄,光吸收效率偏低。同时探讨不同钙钛矿的旋涂量对钙钛矿层厚度以及光吸收性能的影响,结果表明:当钙钛矿溶液的旋涂量为40μl时,CH3NH3PbI3覆盖全部TiO2表面,且其晶粒尺寸合适,孔道结构未被堵塞,有利于空穴导体的填充以及空穴的传输。电池结构优化实验表明,当TiO2多孔层厚度为600 nm,钙钛矿溶液的旋涂量为40μl时,电池光电转化效率最优,达到5.17%。
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