基于TiO2纳米棒阵列_PbS量子点的体相异质结太阳能电池研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 量子点具有量子限域效应和多激子效应，其太阳能电池的理论效率高达44% ， 远高于肖克利—奎伊瑟约 31%的理论极限，因而被称为第三代光伏器件。传统的 平面异质结太阳能电池由于受限于载流子传输距离，其活性层的厚度通常被限制 在200−300 nm 之间，导致大量的光子无法被有效利用。另一方面，光伏器件的性 能与载流子的抽取和传输密切相关，而光伏器件各功能层的能级结构与界面性质 直接影响载流子的抽取和传输效率。 为解决上述问题，本论文设计了以二氧化钛纳米棒阵列为光阳极的量子点体 相异质结太阳能电池，并研究了光阳极表面形貌对器件性能的影响；使用连续离 子层吸附与反应法 （SILAR，successive ionic layer adsorption and reaction ）在光阳 极上原位合成由ZnS 包覆的PbS 量子点，并分析了量子点合成参数对器件性能的 影响。主要内容如下： ① 研究了TiO2 纳米棒水热反应时间对太阳能电池性能的影响。研究结果表明 采用水热法制备出的TiO2 纳米薄膜是沿[001]晶向择优生长的单晶金红石型纳米棒 阵列。当水热反应时间为3 h 时，TiO2 纳米棒排列有序，密度适中，薄膜质量最好， 而且沉积量子点后，量子点薄膜的光吸收达到极值。同时探究了水热合成的 TiO2 纳米棒的晶体结构，表面形貌等关键性能。 ② 优化了制备量子点薄膜以及空穴传导层的实验参数。在TiO2 纳米棒阵列表 面通过SILAR 法原位沉积PbS 量子点薄膜。探索了PbS 与ZnS 循环次数以及总的 SILAR 周期数对薄膜表面形貌、微观结构、光学性质的影响。结果表明，在 [PbS(5)/ZnS(5)]3 的沉积参数下，可以制备出尺寸分布均匀的核壳结构PbS 量子点。 选用PEDOT:PSS 做空穴传导层，应用碳浆作为对电极，制备出全固态原位合成的 量子点太阳能电池。在AM1.5G 模拟太阳光照条件下，该器件的光电转换效率（PCE ） 达到了1.4%。 研究结果表明，采用 TiO2 纳米棒阵列作为光阳极，可大幅度提高电子传输距 离，其活性层厚度可达 630 nm ，提高入射光子的利用率。通过 SILAR 法控制 PbS/ZnS 核壳结构的量子点尺寸，可控制界面能级结构，提高载流子的抽取和传输 效率，获得最佳器件性能。 关键词： PbS 量子点；TiO2 纳米棒阵列；太阳能电池；SILAR；体相异质结 I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ABSTRACT The theoretical efficiency of quantum dot solar cells is as high as 44% due to the multi-excition effect. In theory, the quantum dot solar cell can break through Shockley-Queisser limit (31%), therefore, it is called the third generation photovoltaic device. Traditional planar heterojunction solar cells are limited by carrier transmission distance, the thickness of active layer is usually limited to 200−300 nm, which leads to lots of photons cannot be effectively utilized. On the other hand, the performance of photovoltaic