两端开口tio2纳米管阵列制备与其在量子点敏化太阳能电池中的应用

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1、华中科技大学硕士学位论文源中，太阳能资源被人们寄予了厚望，因为其具有大的储存量，使用安全，无地域24[4]限制以及无污染等优点。太阳每年输送到地球的能量约为3×10焦耳，据计算，如果将光电转换效率为10%的太阳能电池覆盖在0.1%的地球表面，这些电池所输出的电能就能够供应全人类的能源需求了。到目前为止，太阳能的利用方式主要有四种：光电转换，光热转换，光化学转换和光生物转换。其中，光电转换是各国研究者们关注的重点。这是因为光电转换能将太阳能直接转换为电能，而电能是人们利用的最主要的能源方式，太阳能电池产生的电能

2、可以直接输入用电设备或者进入电网被利用。1.2太阳能电池太阳能电池是一种能吸收太阳光并将其转换为电能的设备。1839年，法国科学家A.E.Becquerel发现当两片放入卤化物的溶液中的铂电极上有光照射时，它们之间就有电流通过，这就是所谓的光伏效应。光伏效应是太阳能电池技术的理论基础。世界上首个太阳能电池于1883年由美国科学家C.Fritts制造出来，其利用Se-Au半[5]导体-金属异质结制造出的太阳能电池的效率达到了1%。而世界上第一个可以实用的太阳能电池是由美国贝尔实验室的Chapin等人于1954年

3、研制成功的，其光电[6]转换效率约为6%。此后，各国的研究者们又研制成功了一系列的不同类型太阳能电池，太阳能电池的光电转换效率也在不断提高，并且它们已经应用到航空，军事和人们的日常生活等领域中。1.2.1单晶硅太阳能电池在全球太阳能电池市场中，硅太阳能电池占据主导地位。硅是间接带隙半导体材料，室温下的能带间隙约为1.1eV。对于单晶硅太阳能电池而言，由于硅的间接[7]带隙特征导致需要较厚的硅片（约为数百微米）来吸收足够的入射太阳光。但是单晶硅的制备成本高昂，所以这也被认为是单晶硅太阳能电池最大的劣势。常规的硅

4、太阳能电池基本结构为n-p型，即以p型单晶硅片作为基片，在基片上制备一层薄的2万方数据华中科技大学硕士学位论文n型发射极材料。P型基片是利用Czochralski方法制备的硼掺杂的单晶硅，而n型发[7]射极材料是在p型基片上通过高温扩散引入磷杂质制备。单晶硅太阳能电池的工作原理见图1.1。在无光照情况下，由于n区的载流子电子浓度大于p区的电子浓度，导致电子从n区流向p区，同理，p区的载流子空穴浓度也大于n区的，导致空穴从p区流向n区，这些载流子的流动形成了扩散电流。而在p-n结处，未被相消的载流子形成一个内电

5、场，其方向与扩散电流方向相反。当由內电场引起的漂移电流与扩散电流达到平衡时，在p-n结处形成空间电荷层，在空间电荷层里没有任何载流子，如图1.1(a)。当单晶硅受到光照时，其会吸收那些能量大于或等于硅的禁带宽度的光子产生电子空穴对。p区的光生电子（少子）向p-n结边界扩散，一旦到达p-n结边界，其会立即受到内电场的牵引力作用做漂移运动越过空间电荷层，到达n区。同样，n区的光生空穴（少子）也会先向空间电荷层扩散，然后被内电场分离到达p区，如图1.1(b)。在p-n结的两侧便由于电荷的积累而产生光生电压，接上负载

6、后，光电流就能通过负载输出能量。图1.1单晶硅太阳能电池工作原理(a)无光照，(b)光照。Fig1.1Thestructuresofsiliconsolarcellsandtheirenergybanddiagramunder(a)darknessand(b)illumination.3万方数据华中科技大学硕士学位论文1.2.2多晶硅太阳能电池[8]尽管澳大利亚的新南威尔士大学（UNSW）的Zhao等已经报道了能量转换效率约为25%的单晶硅太阳能电池，但是使用单晶硅作为太阳能电池的原始材料仍然需要付出高昂的成

7、本。与此同时，人们研发了多晶硅太阳能电池来取代单晶硅太阳能电池。多晶硅太阳能电池的能量转换效率要比单晶硅太阳能电池的低2-3%，但是[7]它的制造成本只有后者的80%。另外，商用的多晶硅太阳能电池的平均能量转换[7]效率并不比单晶硅太阳能电池的低，均约为12.6%。1.2.3薄膜太阳能电池目前限制晶体硅太阳能电池进一步发展的最大问题仍然是晶体硅材料的制备成本，因此，降低对晶体硅材料的使用将有利于太阳能电池的推广。非晶硅薄膜太阳能电池是利用非晶硅材料在玻璃、塑料、不锈钢等为基体制备的一种薄膜太阳能电池。非晶硅(

8、a-Si)是直接带隙半导体材料，禁带宽度为1.7eV，通过掺杂磷元素（P）或者硼元素（B）可以准备出n型a-Si或者p型a-Si。由于非晶硅半导体材料的本征光吸收系数很大，1μm厚度的材料就能充分吸收太阳光，与数百μm厚度的晶体硅相比，可以节省很多硅材料，而且非晶硅的制备成本要低，所以非晶硅薄膜太阳能[7][9]电池的整体成本要低很多。FernandoVillar等制备出的非晶硅薄膜太阳能电池的光电