銅鋅錫硫量子點(diǎn)電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能研究.pdf

1、Cu2ZnSnS4(CZTS)禁帶寬度為1.5 eV，在可見光區(qū)具有很高的光吸收系數(shù)(>104cm-1)，同時(shí)具有綠色、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。Cu2ZnSnS4膠體量子點(diǎn)（CQD）兼具 CZTS材料及量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，由于其溶液處理過程的簡單易操作、多激子效應(yīng)及光學(xué)帶隙可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于多種結(jié)構(gòu)的太陽能電池中。而DHJ、肖特基等結(jié)構(gòu)的CQD太陽能電池由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，依然存在著一個(gè)光子吸收效率和載流子收集效率相互制約的矛盾。受有機(jī)光伏領(lǐng)域?qū)ζ骷-

2、N結(jié)界面幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的啟發(fā)，我們將用水熱法生長的一維有序的ZnO納米棒陣列與用熱注入法合成的CZTS NCs結(jié)合，構(gòu)筑Au/MoO3/CZTS/CdS/ZnO納米棒陣列/FTO結(jié)構(gòu)的耗盡體相異質(zhì)結(jié)（DBH）CQD太陽能電池。一維ZnO納米棒陣列的引入，在為光生電子-空穴對(duì)提供必需的分離界面的同時(shí)為分離后的載流子提供傳輸?shù)绞占姌O的直接通道。激子分離和收集效率的顯著提高使DBH結(jié)構(gòu)的 CQD太陽能電池在具有高的光吸收效率的同時(shí)具有良好的載

3、流子抽取能力，從根本上解決了“電薄”而“光厚”的矛盾。我們利用表面光電壓譜、I-V測(cè)試系統(tǒng)等測(cè)試手段研究了ZnO納米棒陣列的長度、緩沖層CdS的沉積時(shí)間、CZTS的厚度及其配體交換對(duì)電池光電性能的影響。
　　研究內(nèi)容主要有：
　　1.通過控制反應(yīng)時(shí)間以及前驅(qū)體溶液濃度得到直徑合適、長度不同的 ZnO納米棒陣列，并用其組裝耗盡體相異質(zhì)結(jié)CQD太陽能電池。通過表面光電壓（SPS）及光電轉(zhuǎn)換性能測(cè)量系統(tǒng)等手段探究了ZnO長度對(duì)電池

4、性能的影響，得出組裝DBH CQD太陽能電池的ZnO納米線（棒）優(yōu)化的長度為800-1000 nm，此時(shí)可以更高效的進(jìn)行電荷傳輸及分離，其中長度為800 nm的ZnO對(duì)應(yīng)的電池的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)達(dá)到1.63％。
　　2.通過改變CdS沉積時(shí)間得到負(fù)載不同CdS量的FTO/ZnO/CdS電極，再旋涂相同厚度的CZTS構(gòu)筑DBH CQD太陽能電池，利用表面光電壓譜儀（SPS）及光電轉(zhuǎn)換性能測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電極及電池性能進(jìn)行表征。根據(jù)實(shí)

5、驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可知CdS沉積15 min左右較為合適，沉積15 min CdS時(shí)所構(gòu)筑的耗盡體相異質(zhì)結(jié)CQD太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最優(yōu)。
　　3.首先用簡單的無機(jī)配體(NH4)2S對(duì)合成的CZTS納米晶進(jìn)行配體交換得到了純無機(jī)的CZTS納米晶，然后探究了CZTS吸光層的厚度對(duì)電極電荷傳輸?shù)挠绊?。得到?duì)于固定高度的ZnO納米棒陣列而言，當(dāng)位于ZnO納米棒陣列頂端之上的CZTS吸光層厚度為250 nm-300 nm時(shí)，器件光電轉(zhuǎn)化性能最

6、佳，此時(shí)CZTS溶液的旋涂層數(shù)為11層。根據(jù)前面工作中對(duì)于構(gòu)筑電池條件的優(yōu)化，采用25 mM的前驅(qū)體溶液制備長度為1μm左右的ZnO納米棒，沉積15 min CdS，在固定的條件下旋涂11層配體交換前后的CZTS納米晶溶液（5 mg/ml）得到用不同相的CZTS納米晶構(gòu)筑的納米結(jié)構(gòu)的DBHCQD太陽能電池，并對(duì)其進(jìn)行了光電性能測(cè)試。用甲醇相CZTS納米晶構(gòu)筑的電池得到了3.34%的光電轉(zhuǎn)化效率（辛烷相為1.83%），證明了用S2-代替有