片状纳米WO3的制备、改性及在杂化太阳能电池中的应用

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无机有机杂化太阳能电池因其独有的特性,引起了人们的广泛研究。其中,无机半导体纳米材料作为电池的关键材料之一,承担着传输电子的能力。WO3以其无毒、耐酸、耐腐蚀等优点,成为了目前较热的光电转换材料之一,但其本身也存在一些缺点,如在可见光区吸收范围窄、光生电子易复合等。本论文针对这些问题,采用元素掺杂、量子点敏化这两种方法对WO3纳米薄膜进行改性,目的在于拓展其在可见光区的吸收范围、促进其光生电子-空穴对的分离、改善其电子传输性能、提高其光电性能。本论文主要包括三大部分:WO3纳米片的制备、WO3纳米片的改性研究、WO3纳米片与聚合物组装成简易的太阳能电池。主要内容如下:  (1)通过对水热反应的反应时间、反应温度这两个影响因素进行探究,最终在FTO导电玻璃上制备出形貌规整的WO3纳米片。由SEM、XRD表征得,钨酸钠、盐酸、草酸钠体积比为1∶25∶30,FTO玻璃导电面水平向下,反应温度120℃、反应时间12h时所制备的WO3·H2O片状形貌更好。为了除去结晶水而得到稳定的WO3纳米结构,我们在550℃下煅烧产品。煅烧后的产品最大光响应波长为460nm,适用于后面杂化太阳能电池的制备,并测试其光电性能。其中,Voc=0.015V,Jsc=0.89mA/cm2,FF=24%,η=0.003%。  (2)本文采用离子掺杂和量子点敏化这两种方法对煅烧后的WO3纳米片的改性研究。第一种方法:采用与W6+离子半径相近的三种离子Si4+、Fe2+、Cu2+对WO3纳米片进行掺杂改性。经过紫外吸收和J-V曲线测试得出当离子掺杂后的WO3纳米片在可见光区吸收边缘拓展为800nm,而且光电性能均增加。其中以10%Si4+掺杂后的纳米片光电性能更佳,Voc=0.80V,Jsc=0.95mA/cm2,FF=37%,η=0.28%。第二种方法:采用连续离子层吸附法在WO3纳米片上沉积Bi2S3量子点,并改变溶液浓度和沉积次数两个条件对其进行了研究。经过紫外吸收和J-V曲线测试得出当Bi2S3量子点沉积浓度为0.5mol/L、沉积次数为2次,Bi2S3(n)/WO3构成的核壳式结构具有较宽的光吸收范围,最大光吸收波长达到800nm,而且光电性能更好,Voc=0.22V,Jsc=1.01mA/cm2,FF=30%,η=0.066%。最后结合这两种改性对来改善WO3纳米材料的性能。研究表明,由此样品与P3HT组装的电池对可见光的利用率以及转化率都得到了明显的提升,其中Voc=1.32V,Jsc=1.03mA/cm2,FF=24%,η=0.41%。  (3)实验室自制的聚合物A、B、C代替P3HT,与共改性后的WO3纳米样品组装成聚合物/Bi2S3(n)/Si4+-WO3有序杂化太阳能电池结构。当聚合物为B时电池的性能更佳,Voc=1.05V,Jsc=1.12mA/cm2,FF=38%,η=0.43%。
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