基于电沉积法制备的ZnO量子点敏化太阳能电池光电性能研究

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在第三代太阳能电池中,染料敏化太阳能电池的产业化应用受限于自身缺陷,而随着量子点纳米材料的迅速发展,更具竞争优势的量子点敏化太阳能电池(QDSCs)备受关注。光阳极是QDSCs电池的核心,其材料的选择必须具备较好的电荷传输性能,才能保证电池光电流的有效输出。目前,ZnO纳米材料具有较高的电子迁移率和多变可控的纳米形貌,被认为是比传统TiO2光阳极具有更大优势的传输层替换材料。其中,ZnO材料的形貌多样性易于满足量子点敏化剂负载所需的较大比表面积,因而电池的光电转化效率有较大的提升空间。本论文的研究主要致力于将电沉积ZnO薄膜技术与量子点敏化技术相结合制备高效太阳能电池,充分发挥电沉积技术的高效率、低成本和易操作等特点,为量子点敏化太阳能电池的制备提供一种极具产业化优势的方法。本文首先对恒电位沉积法制备ZnO薄膜的沉积参数进行了筛选,以Zn(NO3)2和六次甲基四胺为沉积液,研究了沉积电位、沉积温度、沉积液浓度对所得薄膜形貌结构的影响,并用CdS将其敏化,测试组装的QDSCs的能量转化效率,最终确定了最佳沉积参数。通过扫描电镜(SEM)和电化学伏安特性曲线测试表征了不同条件下所得ZnO薄膜的形貌及相应QDSCs的J-V特性,结果发现,所得ZnO薄膜形貌主要为纳米棒,且纳米棒在基底的覆盖率、结晶度和直径大小分别受到沉积电压、温度和浓度的控制。筛选后的电沉积最佳参数分别为:-1.1V,70℃和0.025mol/L,在此条件下的ZnO-CdSQDSC的能量转换效率为0.069%。然后,研究了不同量子点对最佳电沉积条件下所得ZnO薄膜的敏化情况,并组装QDSCs测试了电池的光吸收特性和能量转换效率,分析了不同CdS敏化层数和CdSe沉积时间影响电池性能的变化规律,结果表明,相比单CdS敏化,引入CdSe后,双量子点的共敏化作用使光阳极在可见光区的吸收波长由400nm延伸至600nm,并且CdS/CdSe共敏化光阳极的短路电流密度和填充因子相比单CdS敏化有显著提升。此外,选用了三种电沉积添加剂对制备ZnO的形貌结构进行改性,分别为PVA、NH4Cl和KCl,通过初步筛选后发现KCl的改性效果最好,以KCl为结构改性剂深入研究了其浓度对ZnO结构转变的影响,并将不同浓度下所得ZnO薄膜用于QDSCs电池光阳极,进行电池电化学性能的封装测试,结果表明:当KCl浓度为0.075mol/L时,以该ZnO薄膜为光阳极的QDSC性能最好,具有最高的短路电流密度和能量转换效率,分别为3.17mA/cm~2和0.356%,比无KCl添加时分别提高了2.41mA/cm~2和0.271%。
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