以氧化锌为基础的纳米结构的膜以及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池作为一种光电转化的器件,因为它的低成本高效率与传统的P-N结型电池相比越来具有竞争性。ZnO因为它的卓越的物理化学性质和与TiO2相似的光电性质,在染料敏化太阳能电池的应用上近年来备受关注。通过不同的方法,ZnO能合成不同的形貌。本论文主要研究了直接在FTO玻璃上面合成ZnO的纳米结构,并将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极。合成的ZnO薄膜分别用XRD, FESEM, TEM等手段进行了表征。对ZnO纳米结构为基础的染料敏化太阳能电池进行了光电性质的测试。 有很多方法可以的合成ZnO,用它来用作光阳极。在文章的第二部分,ZnO薄膜通过在较低温度下热分解醋酸锌直接生长在种有ZnO种子层的FTO导电玻璃上。这种方法非常简单,便宜而且容易控制,合成了不同形貌的ZnO纳米结构薄膜。希望通过改变光阳极的结构和形貌,来提高染料敏化太阳能电池的效率。这种方法合成的薄膜具有大的比表面积用来被染料吸附。此外,发现一些合成条件例如温度决定了纳米结构的形貌。ZnO纳米棒,纳米颗粒分别在245度和350度的情况下分解醋酸锌6个小时的情况下得到。合成的ZnO纳米结构的薄膜被用作染料敏化太阳能电池的光阳极。以ZnO纳米颗粒为基础的染料敏化太阳能电池的效率达到了1.56%,它的短路光电流和开路电压分别为5.12mA/cm2和0.46V(AM1.5100mWcm-2)。通过研究EIS,光电转化效率的提高主要是因为电子复合的减少和电子寿命的延长。 此外,ZnO纳米结构薄膜将ZnO纳米棒粉体直接通过涂刮法涂到FT0玻璃表面上。通过把ZnO纳米棒的粉末和乙醇以及少量的醋酸混合研磨,得到ZnO的浆料。这种ZnO纳米棒薄膜燃料敏化太阳电池的光电转换效率只有0.77%(AM1.5100mWcm-2),开路电压和短路电流分别为0.42V和3.61mA/cm2。 为了得到更好性能的ZnO基燃料敏化太阳电池,将氧化锌纳米棒和纳米颗粒的混合物做成浆料,用涂刮法涂到了FTO导电玻璃上。实验发现把氧化锌的纳米棒和纳米颗粒混合在一起可以增加其燃料敏化太阳电池的性能,其光电转换效率达到1.90%。实验还发现,在ZnO纳米棒/纳米颗粒复合薄膜表面包覆一层氧化钛可以进一步提高电极的光电转化效率,达到了2.26%。 【关键词】：ZnO 纳米棒 纳米颗粒 热蒸发 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• Chapter 1: Introduction11-46
• 1.1 Zinc oxide (ZnO)11-15
• 1.1.1 Properties of ZnO11-13
• 1.1.2 Applications of ZnO13-14
• 1.1.3 Synthesis techniques of ZnO14-15
• 1.2 Conventional p-n junction solar cell15-19
• 1.3 Dye-sensitized solar cell (DSSCs)19-34
• 1.3.1 Historical background of DSSCs19-20
• 1.3.2 Description of the DSSCs20-22
• 1.3.3 Operation principle of the DSSC22-23
• 1.3.4 DSSC performances23-32
• 1.3.5 Advantage and weakness of DSSCs32-33
• 1.3.6 Path to the commercialization of DSSCs33-34
• 1.4 Aim and scope of the thesis34-36
• References36-46
• Chapter 2: Synthesis of ZnO nanostructure films by thermal evaporation approach and theirapplication in dye-sensitized solar cells46-68
• 2.1. Introduction46-48
• 2.2. Experimental details48-51
• 2.2.1. Synthesis of ZnO nanostructure films48-49
• 2.2.2. Characterization of ZnO nanostructure films49
• 2.2.3. Fabrication of DSSCs based on ZnO nanostructure films49-50
• 2.2.4. Characterization of DSSCs based on ZnO nanostructure films50-51
• 2.3. Results and discussion51-62
• 2.3.1. Structure and morphology51-56
• 2.3.2. ZnO nanostructure DSSCs56-62
• 2.4. Conclusions62-63
• References63-68
• Chapter 3: Dye-sensitized solar cell based on ZnO nanorods film fabricated from binder free-paste68-83
• 3.1. Introduction68-69
• 3.2. Experimental details69-72
• 3.2.1. Materials69-70
• 3.2.2. Synthesis of ZnO nanorods powder70
• 3.2.3. Fabrication of ZnO nanorods film70-71
• 3.2.4. DSSC assembly and Characterization71-72
• 3.3. Results and discussion72-77
• 3.3.1. Structure and morphology72-75
• 3.3.2. ZnO nanorods-based DSSC75-77
• 3.4. Conclusions77-78
• References78-83
• Chapter 4: Preparation of ZnO (nanoparticles/nanorods)@TiO_2 core-shell structured composites:application to dye-sensitized solar cells83-96
• 4.1. Introduction83-84
• 4.2. Experimental details84-87
• 4.2.1. Materials84
• 4.2.2. Synthesis of ZnO aggregates84-85
• 4.2.3. Fabrication of ZnO (nanoparticles/nanorods) film85
• 4.2.4. Fabrication of TiO_2-coated ZnO (nanoparticles/nanorods) film85-86
• 4.2.5. DSSC assembly86
• 4.2.6. Analysis techniques86-87
• 4.3. Results and discussion87-93
• 4.3.1. Structure and morphology87-90
• 4.3.2. Performance of DSSC made with ZnO film and DSSC made with ZnO@TiO_2 composite film90-93
• 4.4. Conclusions93-94
• References94-96
• Chapter 5: General conclusion and outlook96-99
• 5.1. General conclusion96-97
• 5.2. Outlook97-99
• Publications99-100
• ACKNOWLEDGEMENTS100

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