高性能CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池研发及其柔性探究

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二十一世纪以来,能源短缺和环境恶化形势日趋严峻,人类亟待开发兼具高效、清洁和经济于一体的可持续能源以解决当前能源需求。经过不断探索和实践,以太阳能为代表的新能源已经迅速发展,成为替代一次性化石燃料的重要组成部分,其中光-电转换作为太阳能的主要利用方式备受关注。而在诸多光-电转换器件中,量子点敏化太阳能电池(QDSSC)凭借其带隙可调、摩尔消光系数高、多激子产生效应、耐水、耐氧、成本低和工艺简单等诸多优点,被广泛研究并取得长足的发展。但是该电池的电荷传输电阻大、电荷复合严重及光吸收范围窄等因素导致其光电转换效率相较理论值而言仍然偏低,极大地限制了它的进一步发展和应用。同时,光伏器件在实际应用过程中还必须具备灵活性和多样性的特点,而QDSSC厚重的硬质基板材料、复杂繁琐的制备工艺和高昂的成本,限制了它的应用场合。基于此,本论文研究工作从拓宽QDSSC的光吸收范围,提高光的利用效率,以及拓展其在柔性方面的应用开展了相关研究:(1)CdS/CdSe量子点对紫外光及近红外光的吸收利用极为有限,因此拓宽CdS/CdSe QDSSC的光吸收范围,提高光的吸收转换效率,对增强器件的光伏性能至关重要。本论文的第一部分工作是将多功能的长余辉荧光结构层引入到CdS/CdSe QDSSC中,并对电池材料性质和相应光伏器件的光电性能进行了深入研究。通过微观形貌表征、光学性能测试、电化学测试及光电转化效率测试发现,QDSSC中引入长余辉荧光结构层,能够吸收转换紫外光,辐射并反射可见光,实现拓宽电池的光吸收范围,提升光俘获效率。J-V特性曲线测试结果表明,相比于传统CdS/CdSe QDSSC,引入长余辉荧光结构层后的器件短路电流密度显著增强,光电转换效率由4.08%提高到5.07%,增加了约24%。(2)基于商业化便携式太阳能电池的发展需求,增强QDSSC的灵活性和多样性,简化繁琐的制备工艺流程势在必行,我们亟待开发出一种兼具生产成本低廉、质量轻便、工艺简单且适应性广泛等优点于一身的柔性QDSSC。本论文第二部分工作分别采用溅射/水热法和刮涂法制备柔性QDSSC,并探究了CdS/CdSe QDSSC柔性光阳极的制备工艺和器件性能。结果表明,溅射/水热法制备的柔性CdS/CdSe QDSSC性能较差,而通过引入添加剂和优化制备工艺等措施,采用刮涂法制备出的柔性CdS/CdSe QDSSC,材料间结合性能和光阳极弯曲性能得到显著改善。对光阳极的微观形貌表征发现,经刮涂后烧结工艺制备的柔性电极表面出现大量交错裂纹,宽禁带半导体被分割成小单元,有效增强了光阳极的弯曲稳定性。将它与凝胶电解液和柔性Cu2S对电极组装得到柔性光伏器件,经一系列表征分析,结果表明相比于传统的硬质CdS/CdSe QDSSC,柔性器件的串联电阻明显增大,光吸收性能和光电转化效率降低,短路电流密度也随之减小,但仍然获得了超过3%的光电转换效率。并且经过500次大角度弯折后,所有样品的转换效率仍保持在初始的60%以上,表现出出色的弯曲稳定性能。
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