量子点/多酸协同修饰TiO2纳米管复合薄膜的制备和光电性能的研究
Study on the Preparation and Photoelectric Performance of the Quantum Dots/Polyoxometalate Cooperating and Modifying with TiO2 Nanotube Composite Films
随着能源危机的不断加剧,绿色可再生能源的研究和开发已成为目前各国科学家研究的热点课题.在太阳能电池的研究发展中,我们发现解决其难以大范围推广最重要的是解决制造工艺复杂和污染、成本高等问题.因此,目前世界各国的主要研究方向和目标是寻找新型绿色太阳能电池材料,其中具有半导体性能的TiO2已经在光伏电池领域获得了较好成效.但是由于Ti O2的禁带宽度较宽,限制了其只能吸收和利用太阳光中很小一部分的远紫外光部分,导致其光电转化效率较低,必须通过修饰和和改性来提高其吸收范围和电子注入率.本文用连续离子层吸附反应法(SILAR)制备了Cd S/PbS/TiO2纳米管复合薄膜,利用量子点具有的多激子效应和尺寸效应等优点,可以增大电子密度并且可以将TiO2纳米管的太阳光吸收范围拓宽到可见光区.通过对阴、阳离子前驱液浓度、每次循环时间以及循环次数3个实验条件的优化,以得到较为理想的CdS/PbS/TiO2纳米管复合薄膜光电极,并将其组装成三明治结构的光伏电池,研究分析其光电性能.实验显示:CdS/PbS/TiO2纳米管复合薄膜光电极的光电转换效率为3.95%,分别是单一量子点敏化PbS/TiO2、CdS/TiO2纳米管光电极光电转换效率的2.9倍和2.3倍,是单纯TiO2纳米管光电转换效率的5倍.说明CdS和PbS带隙的有效匹配更有利于光电子的注入和空穴的再生,并减少了电子-空穴的复合,起到了PbS/CdS的共敏化作用,在一定程度上提高了TiO2纳米管复合电极的光电转换效率.为提高量子点敏化太阳能电池的光电性能,本文引入了多酸,利用其具有接受和转移电子的能力,用CdS与SiW12、PW12的协同作用共同敏化TiO2纳米管.采用正交实验法对多酸的浓度、多酸的沉积时间、CdS量子点的浓度、CdS量子点的循环次数以及多酸和CdS量子点的沉积顺序等条件进行优化,得到了SiW12/TiO2、CdS/SiW12/TiO2、SiW12/CdS/TiO2、PW12/TiO2、CdS/PW12/TiO2、PW12/CdS/TiO2纳米管复合薄膜.对其形貌特征和晶体结构进行表征,并测试上述Cd S量子点、多酸敏化TiO2纳米管复合薄膜的光电性能.实验显示:CdS/SiW12/TiO2纳米管复合薄膜光伏电池的开路电压达3190mv,闭路电流达103.9μA/cm2,光电转换效率最高达14.2%,,是SiW12/CdS/TiO2纳米管复合薄膜光电转换效率的1.3倍左右,是SiW12/TiO2纳米管复合薄膜的1.9倍左右,是TiO2纳米管的52.6倍左右;CdS/PW12/Ti O2纳米管复合薄膜的开路电压达2890mv,闭路电流达97.1μA/cm2,光电转换效率最高达11.7%,是PW12/CdS/TiO2纳米管复合薄膜的1.1倍左右,是PW12/TiO2纳米管复合薄膜的1.2倍左右,是TiO2纳米管的43.3倍左右.通过上述结果分析可以得到:CdS量子点与H4 SiW12O40、H3PW12O40协同敏化TiO2纳米管,可以有效地拓宽TiO2纳米管的吸光范围,抑制电子-空穴的复合,提高TiO2纳米管表面的电子密度,增加对太阳光的利用率,极大地提高了TiO2纳米管的光电性能.
- 作者：
- 孙淑艳
- 学位授予单位：
- 伊犁师范学院
- 专业名称：
- 化学工程(专业学位)
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 罗新泽
- 中图分类号：
- TB383.2；TM914.4
- 关键词：
- TiO2纳米管；多酸；量子点；光电转换
- TiO2 nanotube; Polyoxometalates; Quantum dots; Optoelectronic performance;