纳米半导体材料的制备及其在光电器件中的应用.pdf

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1、FABRICATIONOFSEMICONDUCTORNANOMATERIALSANDTHEIRAPPLICATIONSINPHOTOVOIJ、AICDEVICESADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYXIJun．ring—SupervisedbyProf．SUNYue-mingSchoolofChemistryandChemicalEngineeringSoutheastUnivers

2、ityAug2012东南大学学位论文独创性声明㈣本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：二雌日期：2型三盟东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、

3、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：摘要论文题目：纳米半导体材料的制备及其在光电器件中的应用染料敏化太阳能电池(DSCs)和聚合物太阳能电池(OPVs)作为第三代太阳能电池，由于其较低的制作成本、相对较高的光电转换效率、大面积柔性基底应用等优点引起了人们广泛地关注。无机纳米半导体材料，例如，

4、Ti02和／,nO，被开发且广泛应用到这两种电池中。DSCs中的一个重要组成部分就是由多孔的、宽禁带半导体氧化物薄膜组成的光阳极，它起着吸附染料分子、接收染料分子中光生电子、并传输电子到导电玻璃基底上被收集的作用。在OPVs中，无机纳米半导体的引入显著增强了电池中电荷的迁移，并且提高了电池的物理和化学稳定性。本论文深入研究制备出新型的无机纳米半导体材料，并将其应用到这两种太阳能电池中，研究其光电转换性能；同时设计优化电极结构，改善电池内部的电子传输性能，提高电池的光电转换效率。主要研究内容如下：1)以商业化的P25T

5、i02纳米粉体为原料，使用电喷雾技术成功制备出Ti02聚集体材料。这种方法可以分开控制初级颗粒的制备和聚集体的形成，成功地应用到含有不同形貌、晶型、尺寸的初级颗粒的聚集体材料的制备中，例如，Ti02纳米颗粒聚集体、ZnO纳米颗粒聚集体、ZnO纳米棒聚集体等。研究发现改变电喷雾过程中的实验参数，例如聚合物添加剂的种类、分子量，模板剂，电喷雾推进速度、施加电压等，可以影响聚集体结构尺寸分布和孔径大小。电喷雾制备出的Ti02聚集体由于颗粒效应可以产生光散射，将其应用到DSCs电池中，其光电转换效率(PCE)可以达到5．9％

6、，与相同条件下制备出的Ti02纳米颗粒DSCs的PCE(4．8％)相比提高了22．9％。2)在聚集体材料的基础上对DSCs电池的光阳极结构进行设计和优化，设计出了n02纳米颗粒和n02聚集体的混合电极，将聚集体作为光散射中心；系统地研究了两种材料不同的混合比例对电池光电性能的影响。混合电极的光散射程度随着Ti02聚集体质量比例的增加而增大，而染料吸附量却随着Ti02聚集体质量比的增加而减少。两方面相互作用、相互制约着混合DSCs电池的短路电流和光电转换效率。含有30Ⅲ％的Ti02聚集体和70wt％的Ti02纳米颗粒的

7、混合电极(No．7Ao．3)DSCs电池获得了最高的PCE，7．59％。与单纯的Ti02聚集体DSCs电池的PCE(5．35％)和单纯的Ti02纳米颗粒DSCs电池的PCE(5．80％)相比，混合DSCs电池的光电转换效率取得了显著提高。另外，n02纳米颗粒的加入在不增加电极膜厚的基础上填补了聚集体颗粒之间的空隙，增强了颗粒之间的电子传输；不同质量比的混合DSCs电池中，No．7舢．3电池的电子传输电阻最低，最有利于电子在电极内的传输和收集。3)采用同轴电喷雾法成功制备出一种新型的空心半球形的Ti02聚集体(HHTA

8、s)，并将其应用到DSCs电池中。研究发现，在相同的膜厚条件下，由于HHTAs薄膜内存在很多的空洞和间隙，其单位面积内的有效材料量低于P25Ti02纳米颗粒电极，会影响到电极的染料吸附量，从而限制电池光电转换效率的提高。因此，设计制备出以P25纳查堕奎堂竖主堂垡堡茎米颗粒薄膜为底层，以HHTAs薄膜为顶层的双层结构电极P25．HHTA。HHTA