金空心球等離激元調(diào)控量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電性能研究.pdf

1、量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池由于其成本較低、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)受到科研工作者極大的關(guān)注，但是實(shí)際轉(zhuǎn)換效率很低。為此，人們作出很多努力來(lái)提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，其中一種直接有效的途徑就是加入金屬納米顆粒，利用其表面等離激元特性可以提高太陽(yáng)能電池對(duì)光的吸收，并增強(qiáng)其光電性能。然而如何有效的提高電池的效率仍是一大問(wèn)題。本文主要研究工作是制備了空心結(jié)構(gòu)的納米金球(HGNs)并應(yīng)用到太陽(yáng)能電池中，探討HGNs等離激元的尺寸效應(yīng)對(duì)電池光電性能的影響，同時(shí)優(yōu)

2、化光陽(yáng)極和陰極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以獲得最佳光電性能的太陽(yáng)能電池。主要工作內(nèi)容如下：
　　1.采用犧牲模板法制備了HGNs，以水熱法制備了疏密適度的TiO2納米棒(NR)，將HGNs電泳沉積到棒表面，最后利用連續(xù)離子層吸附法沉積了CdS光敏化層，制備了FTO/TiO2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極。在表面等離激元作用下，HGN能有效增加光陽(yáng)極對(duì)太陽(yáng)光的吸收，同時(shí)增強(qiáng)了鄰近的CdS光敏材料的耦合光的能力，促進(jìn)生成更多的光生載流子，從而提高光陽(yáng)極

3、的光電性能。研究了不同HGN濃度和CdS量對(duì)光陽(yáng)極光電性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)沉積HGN時(shí)間為7 min時(shí)，F(xiàn)TO/TiO2NR/HGN/CdS光陽(yáng)極的光電流密度、開(kāi)路電壓和入射光子-電子轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳。控制CdS沉積次數(shù)為4次時(shí)，能夠得到最佳厚度的光敏化層，在不阻礙電解液流動(dòng)的同時(shí)有效吸收光子產(chǎn)生更多的載流子。
　　2.采用犧牲模板法制備了20-60 nm尺寸的金空心球，并摻入量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池中，研究其表面等離激元對(duì)電池光電性能

4、的影響。結(jié)合水熱法、電泳沉積法、化學(xué)水浴沉積法和連續(xù)離子層吸附法制備了FTO/TiO2NR/HGN/CdSe/ZnS復(fù)合光陽(yáng)極，并通過(guò)化學(xué)沉積法制備了FTO/CuS電極，作為電池的陰極。研究結(jié)果表明，與相同尺寸和相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)心金球相比，HGN的吸收峰發(fā)生明顯的紅移，在可見(jiàn)光有更寬的響應(yīng)范圍和更好的陷光能力，使能量轉(zhuǎn)換效率提高了20％。當(dāng)HGN的外徑為33 nm時(shí)，其表面等離子體共振峰與光陽(yáng)極材料的吸收峰位匹配度最好，使得電池的光電性

5、能最佳。光陽(yáng)極中沉積了一層ZnS鈍化層后能有效保護(hù)光敏材料CdSe，避免其光腐蝕。進(jìn)一步研究了HGN濃度和CdSe量對(duì)電池性能的影響，當(dāng)HGN濃度為1.33 wt%時(shí)，電池的能量轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到3.08%。過(guò)量的HGN會(huì)增加光陽(yáng)極材料中的復(fù)合中心，減少有效載流子的濃度。當(dāng)CdSe水浴沉積時(shí)間為15 min時(shí),得到的光敏層的厚度最佳，電池的光電性能最佳。優(yōu)化了FTO/CuS電極制備工藝，當(dāng)pH=2.69時(shí)，電極的電學(xué)活性最好。與Pt電極

6、進(jìn)行比較，F(xiàn)TO/CuS電極更適于作為量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的陰極。
　　3.采用晶種生長(zhǎng)法和二次水熱法制備了分枝狀的TiO2NR(TiO2BNR)，然后結(jié)合電泳沉積法、化學(xué)水浴沉積法和連續(xù)離子層吸附方法制備FTO/TiO2BNR/HGN/CdSe/ZnS光陽(yáng)極，并將FTO/CuS電極作為電池的陰極使用。研究結(jié)果表明，分枝狀TiO2NR和HGN表面等離激元能夠共同增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的光電性能?？刂粕L(zhǎng)晶種的時(shí)間為1h，TiO2NR表面有