低热固相法制备ZnO基染料敏化太阳能电池

【摘要】：瑞典科学家O'Regan和Gratze11991年利用在多孔纳米结构Ti02电极材料上,涂覆适当有机染料作为光的敏化剂,成功制备出效率为7.1%的染料敏化太阳能电池。此后,尽管大量人员投入研究,其工作重点主要放在光阳极材料的制备、筛选和寻找、敏化剂合成、对电极制备和设计、电解质选用等等,但是到目前为止,在提升转换率上一直还没有重大突破。尤其在制备光阳极材料方法的采用上,借助了包括溶胶-凝胶法、粉末涂敷法、水热法、化学气相沉积法、电化学方法、电喷涂法等多种方法。这些方法各有其特点,但仍存在不足。低热固相反应(LHSR)法以过程简单,易于操作,反应在室温或近室温的低热条件下进行,具有节能、环保、适用范围较广等优点受到重视,但在制备DSSC光阳极材料方面的研究还未见报道。本文采用该方法制备DSSC光阳极材料,分析研究了所制备光阳极薄膜的形貌结构、光电转换性能以及与制备条件之间的关系,从而证明了低热固相反应法在DSSC光阳极薄膜制备上的优越性。 具体研究工作包括： (1)低热固相反应法制备介孔状ZnO光阳极薄膜 采用Zn(NO3)2·6H2O、H2C2O4·2H2O、乙基纤维素构成反应体系,以低热固相反应(Low-heating Solid State Reaction, LHSR)法制备前驱体,通过灼烧得到粉体产物,再以旋涂法制得薄膜。经XRD、SEM和BET表征,表明得到一种三维介孔结构纳米ZnO薄膜(Mesoporous Nano-ZnO, MNZ)。通过400、600、800℃灼烧前驱体温度实验对比发现,400℃处理前驱体后所制备的介孔结构薄膜具有最大比表面积。通过薄膜光电性能、固体紫外-可见吸收光谱表征结果,表明MNZ具有光陷阱和毛细管作用,能有效的增加光散射和利用,有利于染料的快速吸附和缩短光阳极浸泡时间。分析薄膜形貌与光电性能之间的关系,对采用LHSR法制备光阳极薄膜的研究进行了评价,为后续研究提供了有益的启示。 (2)低热固相反应法采用不同配体制备不同形貌ZnO光阳极薄膜 首先,分别采用草酸、HMTA和碳酸氢铵三种配体与硝酸锌进行低热固相反应,制备出前驱体。经表征,所获三种不同形貌前驱体分别为二水合草酸锌、二水合碱式硝酸锌及碱式碳酸锌。然后将前驱体配浆、刮涂成膜、灼烧,分别得到与前驱体形貌一致的块状、片状及片簇状三种形貌ZnO组合体的光阳极薄膜。对比前驱体灼烧前后SEM图以及热分析曲线发现,在前驱体制备光阳极过程中,前驱体受热分解放出气体,这对薄膜介孔的产生起关键作用,并且热分解产物对前驱体形貌具有遗传性,充分表明了低热固相法合成的前驱体对于形成最终产物的形貌产生了决定作用。经光电性能测试,发现粒子以片簇状结构组合成的多级结构,可以增加入射光的散射。并且交错相连纳米片状的簇可以作为电子传输的快速通道,提高电子的收集效率。最终使其具有三种结构中最高的电流密度10.86mA·cm-2,和最高的电转换效率3.07%。该法也为进一步采用低热固相法制备不同形貌光阳极薄膜,提供了有益启示。 (3)表面活性剂对固相制备片状ZnO基光阳极薄膜的影响 在对不同形貌ZnO基DSSC光阳极薄膜分析研究的基础上,通过添加三种不同表面活性剂控制组成薄膜的ZnO形貌,发现了前驱体制备过程中添加PEG4000,最终制备得到的光阳极薄膜质量和完整性最好,且其组成薄膜的片状大小为500nm,接近N719染料的最大吸收峰,获得3.43%的光电转换效率。为了进一步提高DSSC的光电转换效率,将添加表面活性剂所得前驱体所制成光阳极薄膜进行表面修饰。对比修饰前后薄膜的SEM和光电性能参数,发现修饰后片状ZnO薄膜表面粒子被不同程度的细化,比表面积增大,增加了染料的吸附量。最终光电转换效率从2.84%提升到3.69%。 (4)低热固相法制备不同形貌ZnO复合结构的DSSC光阳极及其性能 通过分层刮涂的方法,将LHSR法制备的不同形貌的前驱体两两组合起来,制备得到两种不同形貌结构ZnO组成的复合结构光阳极薄膜,利用不同形貌结构ZnO的优点,使其最终光电转换效率产生了1加1大于2的效果。 (5)低热固相法制备ZnS量子点DSSC敏化剂的探究 制备出粒径在4nm左右的ZnS量子点,其粒径分布均匀,无团聚现象,用来充当DSSC的敏化剂。经表征发现,该量子点具有网状立方晶系结构特征,是一种具有良好结晶态的微晶粒子。并且在紫外-吸收光谱下,表现出条件变化导致的蓝移现象,以及颜色过渡的量子效应。与其它制备ZnS量子点的方法相比,不但减少了操作程序,缩短了制备时间,提高制备效率,而且方法简单易行、成本低廉,具有很好的应用价值。 【关键词】：低热固相反应法 氧化锌 DSSC 形貌 量子点
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 研究背景12-14
• 1.1.1 能量12
• 1.1.2 能量转换与社会发展12-14
• 1.2 太阳能14-18
• 1.2.1 太阳能的利用14
• 1.2.2 太阳能转换系统的要求14-16
• 1.2.3 太阳能电池分类16-18
• 1.3 DSSC电池的结构和工作原理18-19
• 1.4 DSSC光阳极研究进展19-23
• 1.4.1 ZnO纳米粒子光阳极研究现状20-21
• 1.4.2 ZnO多维结构光阳极研究现状21-23
• 1.5 低热固相反应法应用于DSSC的研究进展23-24
• 1.6 本文的工作24-27
• 第2章 固相法制备介孔纳米ZnO及其DSSC性能27-36
• 2.1 引言27
• 2.2 实验部分27-29
• 2.2.1 仪器与试剂27
• 2.2.2 测试与表征27-28
• 2.2.3 纳米ZnO的LHSR法制备28
• 2.2.4 光阳极成膜及DSSC电池组装28-29
• 2.3 结果与讨论29-35
• 2.3.1 LHSR制备粉体产物的XRD分析29
• 2.3.2 LHSR制备粉体产物的SEM分析29-30
• 2.3.3 LHSR制备粉体产物的BET分析30-31
• 2.3.4 光阳极薄膜的SEM分析31-32
• 2.3.5 LHSR前驱体灼烧温度对所制薄膜光电特性的影响32-33
• 2.3.6 光阳极薄膜浸泡染料时间对光电性能的影响33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 固相法制备不同形貌ZnO及其DSSC性能36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 实验部分36-37
• 3.2.1 仪器与试剂36
• 3.2.2 测试与表征36-37
• 3.2.3 LHSR法制备前驱体37
• 3.2.4 浆料的制备37
• 3.2.5 光阳极薄膜的制备37
• 3.2.6 DSSC的组装37
• 3.3 结果与讨论37-46
• 3.3.1 不同前驱体XRD的分析37-39
• 3.3.2 不同前驱体的TGA-SDTA分析39-40
• 3.3.3 不同前驱体的SEM分析40-42
• 3.3.4 不同前驱体所制备光阳极薄膜的XRD分析42-43
• 3.3.5 不同前驱体所制备光阳极薄膜的SEM分析43-45
• 3.3.6 不同前驱体所制备光阳极薄膜的光电转换效率分析45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第4章 表面活性剂对固相制备片状ZnO基光阳极薄膜的影响48-56
• 4.1 引言48
• 4.2 实验部分48-49
• 4.2.1 仪器与试剂48
• 4.2.2 测试与表征48
• 4.2.3 LHSR法制备前驱体48-49
• 4.2.4 浆料的制备49
• 4.2.5 光阳极薄膜的制备49
• 4.2.6 光阳极的表面修饰49
• 4.2.7 DSSC的组装49
• 4.3 结果与讨论49-55
• 4.3.1 加入不同表面活性剂制得光阳极薄膜SEM及形貌形成机理分析49-52
• 4.3.2 加入不同表面活性剂制得光阳极薄膜光电转换性能分析52-53
• 4.3.3 经表面修饰后制得光阳极薄膜SEM分析53-54
• 4.3.4 经表面修饰后制得光阳极薄膜光电转换性能分析54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 低热固相法制备不同形貌ZnO复合结构的DSSC光阳极及其性能56-59
• 5.1 引言56
• 5.2 实验部分56-57
• 5.2.1 仪器与试剂56
• 5.2.2 测试与表征56
• 5.2.3 LHSR法制备前驱体56
• 5.2.4 浆料的制备56
• 5.2.5 光阳极薄膜的制备56-57
• 5.2.6 DSSC的组装57
• 5.3 结果与讨论57-58
• 5.3.1 不同形貌结构ZnO两两组合制备得到光阳极薄膜的光电性能分析57-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第6章 固相法制备ZnS量子点敏化剂的探究59-64
• 6.1 引言59
• 6.2 实验部分59-60
• 6.2.1 试剂与仪器59
• 6.2.2 实验过程59-60
• 6.3 结果与讨论60-62
• 6.3.1 X-射线粉末衍射(XRD)分析60
• 6.3.2 透射电镜(TEM)分析60-61
• 6.3.3 低热固相反应制备ZnS量子点的紫外吸收光谱特性61-62
• 6.4 本章小结62-64
• 第7章 结论与展望64-66
• 7.1 结论64-65
• 7.2 展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-72
• 附录 缩写词72-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果73

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