基于一维TiO2纳米棒有序阵列杂化太阳电池的研究

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本文采用水热法在掺氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)基底上制备了一维有序TiO2纳米棒阵列。分别采用电化学沉积和化学浴沉积方法在TiO2纳米棒有序阵列上沉积CdSxSe1-x纳米粒子和Sb2S3纳米粒子,形成壳核式CdSxSe1-x/TiO2和Sb2S3/TiO2复合纳米棒阵列结构。最后在上述复合结构上旋涂一层半导性聚合物P3HT形成P3HT/CdSxSe1-x/TiO2和P3HT/Sb2S3/TiO2复合纳米棒阵列结构薄膜。通过电子扫描电镜、X射线衍射、能谱分析、紫外-可见漫反射吸收光谱以及光电化学测试仪等对样品形貌、结构组成以及光电性能进行了测定和分析。具体研究内容如下:1)采用水热的方法,以钛酸四丁酯和盐酸的混合水溶液为为前驱液,在FTO基底上制备了有序的TiO2纳米棒阵列。研究了TiO2纳米棒阵列的形貌、晶型结构及其光电性能。2)采用电化学方法在TiO2纳米棒上沉积一层适当厚度的CdSxSe1-x无机纳米粒子,制备壳核式CdSxSe1-x/TiO2复合纳米棒阵列。通过控制沉积时间,可以得到不同厚度的CdSxSe1-x纳米粒子膜。结合吸收光谱和循环伏安曲线确定了CdSxSe1-x纳米粒子的能级位置。研究了CdSxSe1-x纳米粒子沉积时间对壳核式CdSxSe1-x/TiO2纳米棒阵列形貌、光吸收以及光电性能的影响。3)通过旋涂的方法制备了壳核式P3HT/CdSxSe1-x/TiO2复合纳米棒阵列结构,将P3HT/CdSxSe1-x/TiO2复合结构组装成杂化太阳电池。研究了CdSxSe1-x壳层厚度对该电池的光电转换性能的影响,并初步讨论了该杂化太阳电池的工作机理。结果表明基于P3HT/CdSxSe1-x(9 min)/TiO2为光阳极组装太阳电池的短路电流密度为3.982mA·cm-2,开路电压为0.471 V,填充因子为0.36,最终获得了0.68%的转换效率。4)采用化学浴沉积方法在TiO2纳米棒表面上沉积Sb2S3纳米粒子,形成了壳核式Sb2S3/TiO2复合纳米棒阵列结构。化学浴沉积法制备的Sb2S3为辉锑矿结构,通过控制沉积时间,可以到的不同厚度的Sb2S3纳米粒子膜。研究了Sb2S3沉积时间对壳核式Sb2S3/TiO2纳米棒阵列形貌、光吸收以及光电性能的影响。5)采用旋涂的方法将一层P3HT旋涂在Sb2S3/TiO2纳米结构上形成P3HT/Sb2S3/TiO2纳米棒复合结构。n型的Sb2S3与p型的P3HT两界面之间可形成p-n型异质结结构有利于电荷的分离与传输。最终基于P3HT/Sb2S3(3 h)/TiO2为光电极所组装的杂化太阳电池能量转换效率最高,获得了1.15%的转换效率。
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