适于敏化太阳能电池电极材料的铜锌锡硫的制备.pdf

天津师范大学 摘 要 铜锌锡硫 （Cu ZnSnS ，CZTS）四元半导体材料的组成元素含量丰富，安全 2 4 4 -1 无毒，其带隙接近太阳能电池最佳带隙值，光吸收系数 （10 cm ）较高，晶体 结构与铜铟镓硒半导体材料相似，在太阳能电池领域具有广泛的应用前景。本论 文采用旋涂法在FTO 导电玻璃上制备CZTS纳晶薄膜，研究其作为染料敏化太 阳能电池对电极的性能，并探索了最佳制备条件；进一步将CZTS纳晶薄膜与 Co S 复合，研究了复合对电极催化性能提高的机理；通过提拉法在TiO 纳晶薄 9 8 2 膜上原位生长CZTS量子点，研究其作为敏化剂在量子点敏化太阳能电池中的应 用。主要研究内容如下： （1）采用旋涂法在FTO 导电玻璃上制备不同旋涂层数的CZTS 薄膜。采用 X 射线衍射 （XRD）和拉曼 （Raman）光谱表征薄膜的相纯度和晶体结构，采用 能量色散X 射线光谱 （EDS）和X 射线光电子能谱 （XPS）表征薄膜的组成。 通过测量薄膜电极的循环伏安曲线、光电流密度-电压曲线、电化学阻抗谱和Tafel 极化曲线评价了CZTS 薄膜作为染料敏化太阳能电池对电极的性能。研究了旋涂 次数对薄膜形貌、厚度和催化性能的影响。旋涂层数影响CZTS 薄膜的表面形貌 和厚度，因此可以通过改变厚度调节CZTS薄膜的电催化性能。当旋涂次数为3 次时，CZTS薄膜厚度适中，纳米粒子结合紧密，此时CZTS 薄膜的电催化性能 达到最佳。 （2）通过电泳沉积法在旋涂法制备的CZTS 薄膜上沉积金属有机框架 ZIF-67薄膜，进一步硫化使ZIF-67转化成Co S 形成CZTS与Co S 的复合薄膜。 9 8 9 8 通过测量复合薄膜电极的循环伏安曲线、光电流密度-电压曲线、电化学阻抗谱 和Tafel 极化曲线评价了Co S 复合对CZTS 薄膜催化活性的影响。由优化复合 9 8 薄膜对电极组装的染料敏化太阳能电池的最高光电转换效率达到6.41%。高光电 转换效率归因于所制备的复合电极具有良好的光生电子界面转移和电解质的氧 化还原可逆性能。 （3）通过提拉法在TiO 纳晶薄膜表面制备了CZTS纳米颗粒，通过XRD、 2 Raman、XPS、EDS等研究了提拉法循环次数对CZTS纳米颗粒的结构、形貌等 的影响。提拉过程循环5 次时，CZTS纳米颗粒的晶粒大小较为均匀，纳米颗粒 在TiO 纳晶薄膜表面覆盖均匀。以所制备的CZTS量子点敏化TiO 纳晶薄膜作 2 2 I 天津师范大学 为光阳极，以Co S /FTO 电极作为对电极组成“三明治”结构量子点敏化太阳能 9 8 电池，通过光电流密度-电压曲线、电化学阻抗谱测试表明最佳提拉循环次数为5 次制备的CZTS量子点组装的太阳能电池光电转换效率最高。 关键词:CZTS；旋涂法；提拉法；染料敏化太阳能电池对电极；量子点敏化太 阳能电池光敏化剂 II 天津师范大学 目录 第一章 绪论1 1.1 太阳能电池和铜锌锡硫材料概述1 1.2 铜锌锡硫作为对电极材料在染料敏化太阳能电池中的应用2