CdS敏化太阳能电池的制备及其性能研究

论文总字数：20403字

摘 要

本实验采用水热法制备纳米TiO₂，并通过连续离子层沉积法（SILAR）将CdS沉积在TiO₂电极表面形成TiO₂/CdS复合薄膜电极。通过对TiO₂/CdS复合薄膜电极的光学吸收性能进行研究，发现改变CdS的沉积次数可有效控制TiO₂电极表面CdS的沉积量。结果表明：1 mL TiCl₄ 前驱液和20 mL盐酸，20 mL水在180℃条件下，水热反应6 h制得的纳米TiO₂为金红石单晶结构；CdS量子点敏化纳米TiO₂可以增强捕光效果；经9次循环沉积后，制备的太阳能电池的光电转换效率最大，为0.71%；Pt对电极组装成的太阳能电池性能要优于铅笔对电极组装成的太阳能电池和碳黑对电极组装成的太阳能电池。

关键词：水热合成法；CdS量子点；TiO₂纳米颗粒；太阳能电池

The preparation and properties of CdS-sensitized solar cells

Abstract

In my study, TiO₂ nanoparticles were synthesized by hydrothermal method and and the CdS sensitized TiO₂ electrodes were obtained by depositing CdS onto the TiO₂ surface via a simple successive ionic layer adsorption reaction technique. The cationic precursor was Cd(NO₃)₂, and the anionic precursor was Na₂S. Moreover, by studying the optical absorption properties of TiO₂/CdS composite film, we finded that changing the CdS-adsorption number can effectively control the amount of CdS onto the TiO₂ electrode surface. The experiment shows that 1mL TiCl₄ precursor solution and 20 mL hydrochloric acid, 20 mL water at 180℃ conditions, the hydrothermal reaction 6h obtained rutile crystal structure nanometer TiO_2。In addition, the formation of CdS QDs sensitizers on TiO₂ nanorods can be responsible for light harvesting of solar energy. After 9 cycles deposition, the best photoelectric conversion efficiency of solar cells is 0.71%. Furthermore, the performance of Pt electrode assembled into a solar cell is better than the pencil on the electrode assembled into a solar cell and carbon black to electrode assembled into a solar cell.

Key Words:Hydrothermal synthesis;CdS quantum dots;TiO₂;Solar cells

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 纳米二氧化钛简述 1

1.1.1 纳米二氧化钛的形态和基本性质 1

1.1.2 纳米二氧化钛的制备 1

1.2 硫化镉敏化剂 1

1.3 太阳能电池的种类 2

1.3.1 硅太阳能电池 2

1.3.2 多元化合物薄膜太阳能电池 2

1.3.3 功能高分子薄膜太阳能电池 3

1.3.4 染料敏化纳米晶太阳能电池 3

1.4 量子点敏化太阳能电池 3

1.4.1 量子点敏化太阳能电池工作原理 3

1.4.2 量子点敏化太阳能电池研究进展 4

1.4.3 量子点敏化太阳能电池面临的主要问题 5

1.5 本课题研究的意义和实验内容 5

第二章 实验部分 7

2.1 实验材料及仪器 7

2.1.1 实验材料 7

2.1.2 实验仪器 7

2.2 实验过程 8

2.2.1 导电玻璃的预处理 8

2.2.2 水热法制备纳米TiO₂ 8

2.2.3 制备TiO₂薄膜 8

2.2.4 吸附硫化镉量子点 8

2.2.5 制作反电极 8

2.2.6 注入电解质 9

2.2.7 电池的组装 9

2.3 分析与表征方法 9

2.3.1 扫描电子显微镜（SEM） 9

2.3.2 X射线衍射(XRD) 9

2.3.3 紫外可见吸收光谱 9

2.3.4 光电化学特性测试 10

第三章 实验结果分析与讨论 11

3.1 纳米二氧化钛的形貌与结构 11

3.2 X射线衍射分析 13

3.3 紫外可见吸收光谱分析 13

3.4 光电化学特性测试分析 14

第四章 实验总结 17

致 谢 18

参考文献 19

第一章 引言

1.1 纳米二氧化钛简述

纳米材料指长度介于1~100 nm之间的微粒，纳米TiO₂是上世纪八十年代逐渐发展起来的。在21世纪的今天，纳米级材料在制备及应用方面占有的地位越来越重要。随着物质粒径的超细化，物质的内部结构也会发生独特的变化，最终导致物质性质的变化（因为粒子中包含的原子数减少，能带中间能级增大，导致纳米TiO₂的电磁、热等物质性能发生变异）及表面效应（面积与体积比例增大，因为物质内部的原子变小，导致了产生了更多的原子，相对于原物质表面积跟多）的产生，所以纳米级的TiO₂与常规级的TiO₂相比，在电学、热学、光学、催化等方面具有更好的表现，而且纳米级TiO₂耐酸碱性能出色、物质性能稳定、氧化性能好、且不发生光腐蚀现象、它的催化活性和光电转换高远远高于传统的TiO₂。而且由于TiO₂比较易得，价格比较廉价的特点导致了TiO₂在光转化方面被广泛应用，现在已经逐步实现了工业化的生产^[1]。

1.1.1 纳米二氧化钛的形态和基本性质

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