电化学原子层沉积制备量子点敏化TiO2光阳极研究

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量子点敏化宽禁带半导体太阳能电池由于具备理论光电转换效率高、材料来源广泛、制造和使用过程对环境无害等优势而备受新能源领域的研究人员重视。目前,研究人员已经发展了多种制备量子点敏化太阳能电池的方法,但各种方法均存在一些瑕疵和不足,在发展新型太阳能电池技术以解决量子点覆盖度、减小电池内阻等问题方面还大有可为。基于以上考虑,本论文尝试将电化学原子层沉积技术运用到量子点敏化太阳能电池制备领域,通过运用该技术在TiO2纳米棒阵列薄膜电极上分别沉积CdSe量子点、CdTe量子点和CdSe/CdTe共敏化量子点,并分别对相应的光阳极进行了系统的测试分析。  运用循环伏安法研究了TiO2纳米棒阵列薄膜分别在含有Cd、Se和Te元素溶液中的电化学特性。通过分析循环伏安扫描得到的循环伏安曲线,结合相关电化学原理和数据分析了三种元素在TiO2纳米棒阵列薄膜衬底上的电化学沉积和剥落行为。结果表明Te在TiO2纳米棒阵列薄膜电极表面不能发生明显的欠电位沉积(UPD),而由于其反应动力学较慢,在一个沉积周期内其覆盖度被限制在一个原子层内,即发生过电位表面限制生长。而Se和Cd均有明显的UPD沉积特征出现,在合理电位范围内可发生UPD沉积反应。  运用电化学原子层沉积方法在TiO2纳米棒阵列薄膜电极上分别沉积CdSe和CdTe量子点,分别得到CdSe@TiO2和CdTe@TiO2光阳极。实验结果表明在TiO2纳米棒阵列薄膜电极上得到了成分均一的量子点,量子点尺寸分布和覆盖度可以通过调节沉积循环周期数而控制在比较理想的范围内。通过对不同沉积周期的CdTe@TiO2光阳极进行光吸收和光电转换性能测试发现沉积120周期时其光电转换性能最佳,在三电极测试体系中得到了15.83mA/c m2短路电流和7.9%的光电转换效率。  运用电化学原子层沉积方法制备了CdSe/CdTe量子点共敏化TiO2纳米棒阵列薄膜太阳能电池。测试结果显示Se、Te、Cd三种元素在整个TiO2纳米棒外表面分布均匀,三种元素形成了良好的符合化学计量比的CdSe和CdTe。通过合理控制沉积工艺,CdSe/CdTe量子点尺寸分布合理,在每一根TiO2纳米棒上都致密覆盖。将沉积得到的CdSe/CdTe@TiO2光阳极组装成太阳能电池,电池短路电流到达8.48mA/cm2,电池光电转换效率达到了2.74%。
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