量子点敏化太阳能电池中CuSe/CuS复合对电极界面电子传输行为研究
量子点敏化太阳能电池作为第三代太阳能电池中的一类，由于其理论转换效率高、制备成本低从而受到广泛研究。目前，已经报道电池的最高光电转换效率是13.34%，然而这远远低于其理论光电转换效率（66%），也不能满足商业生产以及应用的要求，因此探索新型电极材料和电解液以提高电池的光电转换效率成为研究热点。此外，对电极是作为量子点敏化太阳能电池的组成部分之一，开发高性能的对电极材料是提高电池的性能的重要途径，其中复合对电极材料由于可以结合多种单一对电极材料而受到人们的广泛关注，然而其不足之处在于多种材料的引入会增大界面电子传输阻力，从而导致其电子传输性能降低，因此如何在复合对电极中减小电子传输电阻成为目前研究重点。 针对上述提及的问题，本论文制备了CuSe/CuS异质结复合对电极。我们在对电极界面处构建了有利于电子从对电极传输到电解液的异质结，减小了对电极界面电子传输阻力，增强了对电极的电催化活性，从而提高了量子点敏化太阳能电池的光电转换效率。此外，我们利用电化学分析法、开尔文探针技术、瞬态光电压技术、瞬态光电流技术等多种研究手段对复合对电极的界面电子传输行为进行研究。具体的研究内容可以分为以下两个部分： 1、为了研究复合对电极CuSe/CuxS的界面电子传输过程，我们先利用化学沉积法在FTO导电玻璃上沉积CuxS，再利用丝网印刷法将CuSe浆料丝网印刷到CuxS/FTO上制备了CuSe/CuxS异质结对电极，并且我们通过调节CuSe/CuxS复合对电极中CuxS的原子比来改变CuxS的能带结构，从而调控异质结的界面电场。研究发现，当CuxS的Cu/S原子比从0.52增大到0.78时，在CuSe/CuxS异质结中固固界面中会形成有利于电子从CuxS到CuSe传输的界面电场，且随着Cu/S原子比增大，异质结中界面势垒逐渐减小，其固固界面电子传输电阻逐渐减小，对电极的电子传输性能逐渐增大，最终CuSe/Cu0.78S复合对电极组装的量子点敏化电池光电转换效率可以达到5.70%，这远高于单一对电极Cu0.78S（PCE：4.13%）和CuSe（PCE:4.82%）。然而，当CuxS的Cu/S原子比增到0.85时，此时异质结中的界面电场反向，这不利于电子从CuxS到CuSe传输，从而导致电子传输性能的降低，最终CuSe/Cu0.85S复合对电极的电池效率仅为4.65%。 2、为了进一步提高对电极的电催化活性和电子传输性能，进而提高电池的光电转换效率，我们对上一工作的CuSe/CuxS对电极提出两方面的改进：（1）增大对电极的催化活性位点（减小固液界面电子传输阻力）以提高其电催化活性，（2）增大对电极中异质结电场强度（减小固固界面电子传输阻力）以提高其电子传输性能。针对这两个方面，我们先利用盐酸预处理黄铜得到电极基底，在利用牺牲模板法在电极基底上原位制备p-p型Cu2-xSe/Cu2S复合对电极。研究表明，一方面黄铜片经过盐酸处理后其表面呈现多孔结构，这增大了基底与电解液接触的比表面积，减小了固液界面电子传输电阻，提高了对电极的电催化活性。另一方面，Cu2-xSe/Cu2S复合对电极中更高的击穿电压（0.75V，CuSe/Cu0.78S复合对电极：0.19V）表明了其异质结具有更大的界面电场强度，这更有利于电子从Cu2S到Cu2-xSe传输，从而减小了固固界面的电子传输阻力，提高了对电极的电子传输性能，最终Cu2-xSe/Cu2S复合对电极组装的电池的光电转换效率提高到6.10%。
量子点敏化太阳能电池;复合电极材料;硒化铜;硫化铜;异质结;电子传输
吉林大学
硕士
物理化学
谢腾峰
2020
中文
TM914.4;TM242:TM201.44
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）