水相合成ZnxCd1-xSe合金量子点及其在太阳能电池中的应用

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量子点由于具有量子限域效应,多激子效应和高消光系数等优点,已成功地应用于第三代太阳能电池—量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)上。此外,量子点代替染料分子,作为一种新型的敏化剂材料,成为了太阳能电池研究的热点。本文采用巯基水相法合成了带隙可调的ZnxCd1-xSe量子点,分别采用X射线粉末衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)、透射电镜(TEM)、紫外可见分光光度计及荧光分光光度计等仪器对样品的形貌结构,组成,吸收及发射光谱进行了一系列的表征。其次,将其分别敏化在阳极氧化法制备的TiO2纳米管和水热法制备的ZnO纳米棒上,并通过电子扫描电镜(SEM)、紫外吸收光谱(UV-VisP)、XRD、EDS、电化学工作站等方法对制备的光阳极材料进行测试。主要研究内容及结论为:(1)以SeO2为硒源,一步水相法合成了带隙可调的ZnxCd1-xSe量子点。研究发现,所得的3-巯基丙酸(3-MPA)包裹的ZnxCd1-xSe量子点颗粒为近球形,尺寸大约为3.5nm,属于闪锌矿立方晶型,紫外吸收峰位置在可见光范围内,吸收范围宽,且带隙可调,具有极佳的荧光性能及可见光吸收性能,故后续选择ZnxCd1-xSe作为光敏剂。(2)采用阳极氧化法制备出了高度有序的Ti02纳米管阵列。然后利用直接吸附法(DA)、化学浴沉积法(CBD)和连续离子层沉积法(SILAR)分别制备出了ZnxCd1-xSe/TiO2光阳极材料。研究发现,采用连续离子层沉积法制备的ZnxCd1-xSe/TiO2太阳能电池,在敏化层数为6层时,光电转化效率最大达到1.3%,是未敏化TiO2纳米管的8.13倍。对三种方法进行对比研究发现,采用连续离子层沉积法制备的光阳极材料的光谱响应范围更广,其光电转化效率(1.3%)分别是化学浴沉积法(1.17%)的1.11倍,是直接吸附法(0.342%)的3.8倍,同时也说明采用原位沉积法时,量子点易与TiO2纳米管形成异质结结构,提高了光电流密度。(3)采用水热法制备出了形貌规则的ZnO纳米棒。采用三种敏化方法分别在ZnO纳米棒上沉积ZnxCd1-xSe量子点,并采用连续离子层法制备了MnxCdySe/ZnO光阳极材料。研究发现,采用连续离子层沉积法,当沉积次数为4次时,ZnO太阳能电池获得最大的光电转化效率为2.69%。三种方法比较可知,采用连续离子层法制备的光阳极材料的光电转化效率是化学浴沉积法(2.67%)的1.007倍,是直接吸附法(0.347%)的7.75倍,这可能是由于直接吸附法属于非原位沉积法,不易形成异质结引起的。同时,利用连续离子层沉积法制备的MnxCdySe/ZnO光阳极材料,沉积次数为6次时,ZnO太阳能电池达到最大的光电转化效率为0.503%,是未敏化ZnO纳米棒的8.38倍。
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