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一维单晶TiO2纳米阵列的可控制备及其在太阳能电池中的应用研究

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第一章 前言

l.l 引言

1.2 太阳能电池的分类

1.3 基于纳米结构的低成本高效太阳电池

1.4 基于一维纳米结构的太阳能电池

1.5 本论文的研究内容和选题意义

参考文献

第二章 水热法可控合成一维有序单晶TiO2纳米阵列

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 特定条件下TiO2纳米线（棒）阵列形貌的转化

2.5 本章小结

参考文献

第三章 一维有序单晶TiO2纳米阵列结构对染料敏化太阳能电池性能的影响

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 CuInS2量子点敏化TiO2纳米线阵列太阳能电池的制备与性能优化

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 CuInS2纳米晶/TiO2纳米阵列复合薄膜的制备与光电性能研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 本论文工作总结

6.2 今后工作展望

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致谢

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摘要

一维有序单晶TiO2纳米阵列作为一种重要的无机半导体纳米结构,因其独特的光学和电学特性以及便于电子传输的几何特征等优势,不仅在光催化、光致变色、光伏电池等领域成为人们关注的焦点,而且在锂电池、传感器以及微纳电子器件等领域也有着广泛的应用价值。尤其是直接生长在导电衬底上的无支撑自立的一维有序单晶TiO2纳米阵列由于直接和收集电极连在一起,有利于提高注入电子的收集效率,可在多种光电器件中应用并提高器件的性能。另一方面,在导电基底上直接生长一维有序单晶 TiO2纳米阵列结构,还为制作光电器件提供了便利。但是,由于TiO2的晶体结构的对称性和ZnO差别很大,使得定向生长有序单晶TiO2纳米阵列电极比较困难。本文用一种简单的水热合成方法直接在FTO导电玻璃上制备不同长度的一维有序单晶TiO2纳米阵列薄膜,并探讨了所制备的一维TiO2纳米阵列在几种不同太阳能电池器件中的应用。主要研究内容包括：
　　⑴在水热反应条件和较低的反应温度下,制备直接生长在FTO导电玻璃上的一维有序单晶金红石相 TiO2纳米线(棒)阵列。通过控制水热反应的时间和水热反应循环的次数,制备不同直径和长度的一维有序单晶TiO2纳米阵列。通过实验数据分析可知, FTO导电基底和四方结构金红石相TiO2之间的晶格匹配关系是促使TiO2沿[001]方向垂直于FTO基底趋向生长的重要原因。对一维有序单晶TiO2纳米阵列的生长过程和反应机理进行了详细的分析和讨论,并研究了在酸性刻蚀条件下TiO2纳米线(棒)阵列向TiO2纳米管的转变过程。
　　⑵将所制备的不同结构的一维有序单晶TiO2纳米阵列应用在染料敏化太阳能电池的光阳极中,研究了不同形貌结构的TiO2纳米线阵列对染料敏化太阳能电池性能的影响。在纳米线长度为2μm,直径为90 nm时,所制得的染料敏化太阳能电池的光电转换效率最高,此时电池的开路电压为0.65V,短路电流密度为5.75mA/cm2,填充因子为53％,光电转换效率为2%。通过染料的解吸附实验,分析了染料吸附量,透光率等因素和染料敏化太阳能电池性能的关系。这为我们进一步制备高质量的TiO2纳米阵列结构指明了方向。
　　⑶在量子点敏化太阳能电池中,与TiO2纳米颗粒薄膜相比,一维有序TiO2纳米阵列结构更有利于量子点在光阳极表面的吸附和电解液的填充。我们将所制得的一维TiO2纳米阵列薄膜应用在量子点敏化太阳能电池中,利用连续离子层吸附和反应的方法在TiO2纳米阵列表面沉积CuInS2量子点,研究了不同量子点吸附层数对电池光电性能的影响。在优化吸附层数和加入缓冲层条件下,CuInS2量子点敏化TiO2纳米阵列太阳能电池的开路电压为0.56V,短路电流密度为4.51mA/cm2,填充因子为41%,光电转换效率为1.06%。展示了比CuInS2量子点敏化TiO2纳米颗粒薄膜更高的能量转换效率,证明了一维有序单晶TiO2纳米阵列优异的电荷传输性能。
　　⑷在胶体量子点光伏器件中,一维有序单晶TiO2纳米阵列可以用来作为电子接受电极;利用一维有序单晶TiO2纳米阵列除了可以为光生电子-空穴对提供必需的分离界面外,还可以为分离后的载流子提供传输到收集电极的直接通道,从而提高激子的分离和收集效率。我们把合成的一维有序单晶TiO2纳米阵列应用在胶体量子点太阳能电池中,利用量子点原位合成和薄膜沉积技术,构筑耗尽体相异质结构的CuInS2胶体量子点太阳能电池。研究了基于一维TiO2纳米阵列的体相异质结的构筑方法及其光电性能,详细考察了一维有序单晶TiO2纳米阵列电极对耗尽体相异质结结构复合薄膜光电性能的影响,对纳米尺度范围内表界面间光生电荷的分离、传输过程和机理进行了深入的探讨。

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