pbs量子点的制备及其光电性能研究

毕业设计论文开题报告PBS量子点的制备及其光电性能研究学院资源与材料学院专业材料科学与工程班级姓名张雨琳指导教师2011年6月19日1、研究背景及意义太阳能电池是光伏领域的一个重要应用，其基本工作原理如图1所示。此领域中对于太阳能电池发展历程普遍接受的划分方法是“三代太阳能电池”，即第一代晶体硅太阳电池、第二代异质衬底上的薄膜太阳电池、第三代高效太阳电池1。图1太阳能电池工作原理示意图最早的太阳能电池可以追朔到1839年，法国科学家ALXENADREEDMONDBECUQEREL发现某些物质经过光照后会产生一个电压，这就是最早的光伏效应。这种光照发电效应的发现立即引起许多科学家的兴趣，随后就产生了以硒制作而成的光伏电池，整体的光电转换效率约为12。1954年，美国贝尔实验室研制出第一块半导体太阳能电池，利用半导体的光电效应开始了太阳能发电的新纪元。目前，第一代太阳能电池约占太阳能电池产品市场的862。由于其成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为进一步降低成本，出现了基于薄膜技术的第二代太阳能电池。在薄膜电池中，很薄的光电材料被铺在衬底上，大大地减小了半导体材料的消耗。薄膜电池在很大程度上解决了太阳能电池的成本问题，但是效率很低。目前商用薄膜电池的光电转换效率只有683。为了改进第一代、第二代太阳能电池，降低成本、提高光电转换效率，国内外逐渐有人提出了“第三代太阳能电池”。所谓第三代太阳能电池主要是针对提高电池性能、转换效率以及简化工艺流程降低成本为目的的一些新型电池结构。如过去曾有过的叠层太阳能电池GAINP/GAAS/GE以及SI，GE合金电池等。由于在太COMMENTZ1正文中文采用宋体小四；英文及数字采用TIMESNEWROMAN，字号为小四，正文段落格式为首行缩进2字符、行距为15倍。阳能电池结构中加入不同材料，其禁带宽度EG不同，使它对太阳光吸收的频谱范围拉宽，从而扩大了对光的吸收能力被认为是提高电池效率的最直接办法4。1991年，GRTZEL教授将纳米多孔二氧化钛引入染料敏化太阳电池（DYESENSITIZEDSOLARCELLS，即DSSC）以来，DSSC以其潜在的低成本、相对简单的制作工艺等优势赢得了人们的广泛关注，其转换效率可与非晶硅太阳电池相媲美，是目前唯一可以和非晶硅电池竞争的候选者5。染料敏化太阳能电池主要有几个部分组成透明导电玻璃（TCO/ITO）、纳米TIO2多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极6。如下图12所示图2染料敏化太阳能电池结构示意图染料分子是染料敏化太阳能电池的光捕获天线，是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，作用是吸收太阳光，将染料分子的基态电子激发到高能态，然后再转移到外电路，因此，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一。量子点敏化太阳能电池，是选择窄带隙半导体量子点作为染料分子作为光敏剂连接到宽带隙半导体如TIO2、ZNO和SNO2等阳极材料上使其达到敏化效果7，对光阳极的形貌和成分调控是提高量子点敏化太阳能电池效率的一种途径，也是研究的热点和重点。量子点太阳能电池的极限值可以达到66左右，而目前太阳能电池的主流晶体硅技术的光电转换效率理论上最多仅为30。尽管目前尚没有制作出这种超高转换效率的实用化太阳能电池，但是大量的理论计算和实验研究已经证实，量子点太阳能电池将会在未来的太阳能转换中显示出巨大的发展前景7。2、国内外在该方向的研究现状及分析染料敏化太阳能电池在上世纪六、七十年代就得到了人们的关注810，但是由于光电转换效率太低，未能引起重视。1991年，GRTZEL教授等人发明了一种纳米晶化学太阳能电池（NPC），以纳米多孔TIO2膜为半导体电极，以过渡金属RU以及OS有机化合物为染料，以合适的材料作为氧化还原电解质，其光电转换效率可达71，这种电池又称染料敏化太阳能电池（DSSC）11。1993年，GRTZEL等人将这种染料敏化纳米晶太阳能电池的光电能量转换率提高到10，1997年其转换效率己经提高到了1011。1998年，GRTZEL小组12又研制出了全固态电解质染料敏化纳米晶太阳能电池。这种电池采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质，其制造更方便，易于封装，稳定性也更好，其单色光光电转换效率达到33。目前，日本、美国、澳大利亚等都以开始对染料敏化太阳能电池进行研究。染料敏化太阳能电池具有以下特点成本低（只有硅太阳能电池的1/51/10）、制造工艺简单、性能稳定、重量轻、寿命也可以达到20年以上、适用范围广、易于和建材等材料相结合、发电和储电一体化；其光电转换效率也较高，最高单色光下光电转换效率已经做到33；可以用柔软的电极基片制成可以卷曲和剪切的太阳能电池，用于标牌、警示服装等，扩展了太阳能电池的市场等。染料敏化剂是太阳能电池最重要组成的部分，其主要作用是吸收入射光并向载体转移光生电子。由于TIO2的禁带宽度为32EV，只能吸收紫外光，因此必须对TIO2表面进行敏化，扩展其激发波长至可见光区域，提高光激发的效率，从而达到提高光电转换效率的目的。因此，染料敏化剂性能决定了DSSC电池的光电转换效率。敏化剂一般要符合以下条件12能紧密吸附在TIO2纳米晶半导体表面，且不易脱落；与其表面具有良好的结合性能，以便光生电子更好的注入TIO2；其氧化态和激发态要有较高的稳定性和活性，保证染料激发态电子注入TIO2导带，且具有很高的电荷传输效率，从而减小光生电子空穴的复合几率；在可见光范围内具有很好的吸收特性，光谱响应范围宽；同时，摩尔消光系数要尽可能大；具有良好的稳定性，保证染料敏化太阳能电池的使用寿命。光敏染料包括有机染料和无机染料两大类。有机染料包括羧酸吡啶钌、磷酸多吡啶钌、多联吡啶钌染料和纯有机染料。其中多联吡啶钌有机金属配合物类染料有较强的可见光吸收，氧化还原性能可逆，是种性能优越的光敏化染料之一。吡啶钌类染料的研究目前已经取得了一定成果，就目前已知染料效果最好的是羧酸多吡啶钌类染料，即N3染料。GRTZEL研究小组1314，曾利用N3染料制备光阳极，达到104的总能量转换效率。但是钌属于贵重金属,增加了电池的制作成本。所以，2006年5月，MGRZEL提出构想采用无机窄带半导体量子点作为敏化剂，以及采用CUINS2超薄层作为光捕获剂。这都将成为无机半导体敏化TIO2电池的发展方向。无机半导体染料能够简单的通过改变纳米粒子的尺寸调节无机半导体纳米粒子的吸光性能，而且，无机半导体材料具有更大的消光系数和更高的化学稳定性15。目前无机敏化剂中，研究最多的是CDS16和CDSE。张含平等人17采用化学浴沉积制备CDSE敏化TIO2多孔膜。SHEN等人采用CDSE量子点敏化含有TIO2纳米管和纳米线的TIO2电极，其最大IPCE达45。NIITSOO等人采用化学法沉积，将CDSE沉积在己经预先沉积富CD的CDS膜的TIO2电极上，或者，通过富CD的CDS膜层SE化处理制得CDS/CDSE共敏化TIO2电池，该法制备的敏化电池在AM15条件下获得了28的转换效率。目前，相对于有机染料敏化TIO2电池而言，无机半导体敏化TIO2太阳能电池所达到的转换效率不高，还有许多有待改进的地方。本文下述内容中用以敏化太阳能电池的量子点，亦有学者将其归类为无机半导体的敏化剂。量子点敏化太阳能电池，是以染料敏化太阳能电池为基础构造的，两者的工作原理相似，只是前者选择窄带隙半导体量子点替代有机染料分子作为光敏剂连接到阳极材料上使其达到敏化效果。量子点敏化太阳能电池包括导电玻璃、光阳极、光敏剂、电解质和对电极5个部分。其中光阳极即是量子点附着和光生电子注入的载体，一般是具有长电子扩散长度的宽禁带半导体制成的多孔电极。目前，光阳极材料的研究主要集中在TIO2、ZNO、SNO2、NB2O5和IN2O3等二元半导体氧化物上。对光阳极的形貌和成分调控是提高量子点敏化太阳能电池效率的一种途径，也是研究的热点和重点。量子点敏化太阳能电池研究很多。文献综述了光分解沉积法简单工艺制备金属硫化物量子点TIO2太阳能敏化电池，如图3所示。图3量子点敏化太阳能电池示意图3、主要研究内容量子点敏化半导体纳晶薄膜太阳能电池（QDSC）的研究始于上世纪九十年代。但是，由于其较低的光电转换效率，这方面的研究工作进展缓慢。而量子点敏化剂比有机染料具有更为优越的特性。尤其，量子点中由于碰撞电离作用产生的多重激发现象，有望将QDSC的热力学效率极限从31推升到44。然而，当前量子点敏化太阳能电池的转换效率尚不足5，远远落后于其它类光伏电池。真正意义上的量子点太阳能电池基于多激子产生效应设计和制作的太阳能电池，还有待深入研究。同其它许多具有应用前景的项目一样，PBS量子点太阳能电池研究领域还有很多工作要做，需要研究人员的继续探索。本课题预计通过采用有机溶剂法，制备得到油酸包裹较完全的PBS量子点。在实验过程中改变成膜条件制备出粒径、形貌可控的半导体PBS纳米超微粒，并用双功能有机分子将其与修饰到TIO2纳晶电极上，研究量子点在半导体纳晶薄膜上的光电转换性能。另外，本论文拟采用磁控溅射沉积系统制备PBS薄膜，初步探索用磁控溅射法射（MAGNETRONSPUTTERING）制备薄膜的工艺条件。磁控溅射沉积系统采用“高速低温溅射”技术，磁控溅射法中的射频磁控溅射，更好地通过设置磁控溅射的各个工艺参数来控制PBS薄膜的生长质量和性质,以达到预期要求。最后，期望可将制备所得的PBS薄膜组装成太阳能电池，并达到一定的光电装换效率。4、实验所需条件实验所需的试剂及仪器分别如下表所示表1实验所需试剂试剂名称分子量纯度生产厂家黄色氧化铅（PBO）2232AR国药集团十八烯（C18H16）25248AR阿法埃莎化学有限公司油酸C18H34O2286AR国药集团无水乙醇C2H5OH4607GR北京化工厂三甲基硅醚（TMS）17844AR阿法埃莎化学有限公司正己烷CH3CH24CH38618AR天津化学试剂厂表2实验所需仪器实验设备型号磁控溅射沉积系统JGP450A磁力搅拌器DF101SX射线衍射仪DX2500电子天平AL104台式匀胶机KW4A超声波清洗器KQ2200电热恒温干燥箱DHG9077A箱式电阻炉YFL27/1266C电热恒温水浴锅HHS场发射扫描电镜S4800傅里叶变换红外光谱仪FTIR8400S紫外可见近红外漫反射光谱计UVWINLABLAMBDA900台式离心机DL5D5、实验方案及实验方法有机法制备PBS量子点即为采用有机溶剂，主要为PBS量子点中的硫来源为有机试剂。本实验改进实验方案，以达到在一般实验室可实现的条件下，采用尽可能简单的方法，制备得到粒径和分散度较好的PBS量子点。（1）实验步骤称取045GPBO置于100ML锥形瓶中，加入一定量的油酸（OA），一定量十八烯（ODE）。将锥形瓶放置在油浴中，加热，搅拌，使PBO完全溶解，制得PB前驱体。量取一定体积的十八烯倒入小烧杯中，用1ML注射器抽取一定量三甲基硅硫（TMS）溶入十八烯中，得到S前驱体。将S前驱体迅速注入PB前驱体中。待冷却至室温，用无水乙醇洗涤，离心。图4制备流程图将离心所得下层黑色液体用分液漏斗静止，分离，再取分液漏斗下层悬浊液。将洗涤后的PBS量子点分别按照不同体积比将PBS量子点与正己烷混合，留待性能表征。PBOOAODEPB前驱体表征电池组装ODETMSS前驱体PBS量子点溶液PBS量子点匀胶涂膜将所得不同配比的量子点用匀胶机将其均匀涂敷于洁净的普通玻璃片上。将上述三种溶液涂敷至留有电极的ITO/FTO玻璃上，以备于测试其组装电池之性能所用。其简易流程图描述如图4。6、实验进度安排及相关问题的解决（1）试验进度安排2011620201179查阅文献，完成开题报告，熟悉相关操作2011792011930开展PBS的制备，研究制备工艺20119120111220在制备出具有良好特性PBS量子点的基础上，同步开展将其制备成膜的前期工作20111012011126对上期实验操作进行改进及创新，进一步优化成膜工艺20111223完成论文初稿2012312012515在前期工作基础上，对实验进行进一步补充，制备光电极并对其性能进行改进201251620120610完成毕业论文，准备答辩。（2）主要困难及解决办法所需药品试剂及制备仪器设备，主要由本系进行购置解决；此外，样品的部分测试条件在本校无法满足（如SEM等），但可以通过到兄弟院校进行测试来进行解决。参考文献1李海雁,杨锡震太阳能电池J大学物理,2003,22936412席珍强,陈君,杨德仁太阳能电池发展现状及展望J新能源,2000,22121001023MAGREENTHIRDGENERATIONPHOTOVOLTAICSSOLARCELLSFOR2020ANDBEYONDJPHYSICAE,2002,1465704何宇亮,王树娟,高全荣,等第三代太阳能电池简介A第六届中国国际纳米科技研讨会论文集C20085JMKROONL,NJBAKKERL,MGRTZEL,ETALNANOCRYSTALLINEDYESENSITIZEDSOLARCELLSHAVINGMAXIMUMPERFORMANCEJPROGRESSINPHOTOVOLTAICS,2007,151186冯蕾,程永清,秦华宇,等染料敏化TIO2太阳能电池的研究进展J材料开发与应用,2009,240382857刘铭,杨君友,冯双龙,等量子点敏化太阳能电池研究进展A第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集C20108MTSPITLER,AEHRET,RKIETZMANN,ETALELECTRONTRANSFERTHRESHOLDFORSPECTRALSENSITIZATIONOFSILVERHALIDESBYMONOMERICCYANINEDYESJJCHEMPHYS,1997,10114255225579TMIYASAKA,TWATANABE,AFUJISHIMALIGHTENERGYCONVERSIONWITHCHLOROPHYLLMONOLAYERELECTRODESINVITROELECTROCHEMICALSIMULATIONOFPHOTOSYNTHETICPRIMARYPROCESSESJJAMCHEMSOC,1978,100216657666510WDKCLARK,NSUTINSPECTRALSENSITIZATIONOFNTYPETITANIUMDIOXIDEELECTRODESBYPOLYPYRIDINERUTHENIUMIICOMPLEXESJJAMCHEMSOC,1977,99144676468211BOREGAN,MGRTZELALOWCOSTHIGHEFFICIENCYSOLARCELLBASEDONDYESENSITIZEDCOLLOISALTIO2FILMSJNATURE,1991,35373774012UBACH,DLUPO,MGRTZELSOLIDSTATEDYESENSITIZEDMESOPOROUSTIO2SOLARCELLSWITHHIGHPHOTONTOELECTRONCONVERSIONEFFICIENCIESJNATURE,1998,39558358513MSAKHTAR,MAKHAN,MSJEON,ETALCONTROLLEDSYNTHESISOFVARIOUSZNONANOSTRUCTUREDMATERIALSBYCAPPINGAGENTSASSISTEDHYDROTHERMALMETHODFORDYESENSITIZEDSOLARCELLSJELECTROCHIMACTA,2008,53277869787414JDESILVESTRO,MGRTZEL,KKAVEN,ETALDYESENSITIZEDTIO2THINFILMSOLARCELLRESEARCHATTHENATIONALRENEWABLEENERGYLABORATORYNRELJSOLENERGYMATERSOLCELLS2005,88111015郝三存,吴季怀,林建明铂修饰光阴极及其在纳晶太阳能电池中的应用J感光科学与光化学,2004,22317518216HHDENG,HZHANG,ZHLUDYESENSITIZEDANATASETITANIUMDIOXIDENANOCRYSTALLINEWITH001PREFERREDORIENTATIONINDUCEDBYLANGMUIRBLODGETTMONOLAYERJCHEMLETT,2002,3635650951417张含平,林原,周晓文,等CDSE敏化TIO2纳米晶多孔膜电极的制备及其光电性能研究J现代化工,2006,26113941其它格式说明A、论文页面设置1、页眉页眉为东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）开题报告第10页其中东北大学大学秦皇岛分校为小三、黑体，第页为小四宋体。2、页边距论文的上边距30MM；下边距25MM；左边距30MM；右边距20MM。3、页码的书写要求论文页码从正文部分开始，至参考文献，用阿拉伯数字连续编排，页码位于页眉右侧，采用五号宋体。B、参考文献书写说明参考文献的序号左顶格，并用数字加方括号表示，如1，以与正文中的指示序号格式一致，方括号与之后的中文文字之间空一空格。参考文献的段落格式统一采用悬挂缩进15字符。每一参考文献条目的最后均以“”结束。参考文献作者如在三人以下，则注明全部作者；若超过三个人，将其余人写为“等”，具体格式见下例。参考文献中所有的标点为英文格式，标点后要加空格。英文参考文献中，作者的名字缩写在前，姓写在后。英文期刊一律采取缩写名。各类参考文献条目的编排格式及示例如下。1连续出版物序号主要责任者文献题名J刊名,出版年份,卷号期号起止页码1郝三存,吴季怀,林建明铂修饰光阴极及其在纳晶太阳能电池中的应用J感光科学与光化学,2004,2231752822UBACH,DLUPO,MGRTZELSOLIDSTATEDYESENSITIZEDMESOPOROUSTIO2SOLARCELLSWITHHIGHPHOTONTOELECTRONCONVERSIONEFFICIENCIESJNATURE,1998,3955835853MJI,SPARK,STCONNOR,ETALEFFICIENTMULTIPLEEXCITONGENERATIONOBSERVEDINCOLLOIDALPBSEQUANTUMDOTSWITHTEMPORALLYANDSPECTRALLYRESOLVEDINTRABANDEXCITATIONJNANOLETT,2009,93121712224严鹏权,郭荣,沈明,等层状液晶中KCL超微粒子的制备J物理化学学报,1995,1132182212专著（图书）序号主要责任者文献题名M出版地出版者,出版年起止页码3高晓华,于文君电子学发展史研究M北京历史文献出版社,198046,313会议论文集序号主要责任者文献题名A论文集名C出版年4刘志刚,孙铁囤,于化丛,等酸腐蚀在多晶硅太阳能电池上的应用A第八届全国光伏会议暨中日光伏论坛论文集C20114学位论文序号主要责任文献题名D保存地保存单位,年份5张俊近红外量子点荧光集光太阳能光伏器件的制作和性能D安徽中