以纳米管阵列为光阳极材料的薄膜太阳能电池的光电性能研究

【摘要】：Ti02纳米管阵列涂层由于具有环境友好,价格低廉,较大的比表面积和化学性质稳定的优点一直备受关注,经常作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料而应用到能源领域。但由于受到Ti02的宽能带限制,以及光生电子在纳米管与钛基底间的界面处易被空穴俘获,因此以纳米管涂层为光阳极的太阳能电池的光电转换效率一直很低。光阳极的组成和结构将直接影响染料敏化太阳能电池的转换效率和长期稳定性,本文通过分析两种不同材料纳米管阵列涂层的光电性质,试图探寻纳米管阵列涂层作为染料敏化太阳能电池光阳极材料的最佳组成和结构,并通过优化纳米管与金属基底间的界面结构来提高材料的光电转换效率。主要内容如下： (1)用阳极氧化法在钛合金表面制备了Ti02纳米管阵列(TiO2nanotube array,TNT)涂层(TNT/Ti),以该涂层为光阳极材料封装了太阳能电池,并测试了其光电性能。结果发现,转换效率与管径和管长呈正相关,对于这一现象的合理解释是较大的管长和管径能够吸附更多的染料,从而增加光生电子的数量。此外,在钛基底表面生长的纳米管涂层很难实现较高的光电转换效率,原因在于纳米管与钛基底间的肖特基接触面俘获光生电子,并影响电子的传输。基于TNT/Ti光阳极较低的光电转换效率,本研究设想通过优化纳米管阵列涂层与Ti02阻挡层间的构造关系来增强太阳能电池的光电转换效率。此外,还考察了导电基底的不同对光电转换效率的影响。在导电玻璃(FTO)表面溅射一层钛金属,通过阳极氧化法在FTO表面形成TNT涂层。光电分析表明,无论对于TNT/Ti光阳极材料或是TNT/FTO光阳极材料,随着纳米管管长的增加,涂层吸附的染料分子数量增加,开路电压增大,但同时阻挡层的厚度也在增加,光生电子在传输过程中被空穴俘获的机率增大。当纳米管的管长为5μm时,TNT/Ti光阳极材料的光电转换效率达到了3.8%。 (2)采用阳极氧化法在纯铁表面制备了Fe203纳米管阵列涂层,其管径尺寸为40-60nm。制备过程中的参数能够明显调控纳米管的形貌。当氧化时间超过30min时,纳米管的形貌会消失；当F-浓度超过9wt%时,纳米管涂层会被溶解；在10-40V电压范围内,纳米管阵列的管径与电压呈正相关关系。空气气氛下对Fe203纳米管阵列进行退火处理后可得到α-Fe2O3(赤铁矿)纳米管阵列涂层,涂层在500℃下的温度范围内具有热稳定性。 (3)以α-Fe2O3(赤铁矿)纳米管阵列涂层为前驱体涂层,进行了硫化实验。通过分析比较不同硫化实验条件下纳米管的物化性能,获得了水热硫化法制备FeS2纳米管阵列涂层的最佳硫化工艺。其工艺条件为：硫代硫酸钠与硫粉为硫源,硫化温度为200℃,硫化时间为5h。将FeS2纳米管阵列涂层作为光阳极材料应用于太阳能电池,研究发现,电池的光电转换效率达到了1.48%,虽然不及TNT/Ti理想,但是由于该结构涂层不需要浸泡染料来产生光生电子,因此具有取代Ti02纳米管阵列涂层的潜在优势。此外,研究发现,适量的S-进入Fe203的晶格后将引入电子或空穴的陷阱,从而降低了电子-空穴对的复合机率,延长光生电子的寿命,基于这样纳米管状结构的FeS2阵列涂层极有可能实现转换效率的突破。 【关键词】：纳米管 光电转化 黄铁矿 二氧化钛 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 太阳能电池的发展历程12-15
• 1.2 TiO_2纳米管薄膜15-21
• 1.2.1 TiO_2纳米管薄膜的制备15-17
• 1.2.2 TiO_2纳米管阵列涂层的应用研究17-19
• 1.2.3 TiO_2作为光电材料的优缺点及改进方法19-21
• 1.3 Fe_2O_3纳米管薄膜21-23
• 1.3.1 Fe_2O_3纳米管薄膜的制备22-23
• 1.3.2 Fe_2O_3纳米管阵列薄膜的光催化性能研究进展23
• 1.4 FeS_2化合物23-26
• 1.4.1 FeS_2薄膜的制备24-26
• 1.4.2 FeS_2的光电性能26
• 1.5 本课题的提出意义及研究内容26-28
• 第2章 以TNT涂层为光阳极材料的太阳能电池的制备及性能研究28-48
• 2.1 序言28-29
• 2.2 实验部分29-35
• 2.2.1 实验试剂29
• 2.2.2 实验仪器29-30
• 2.2.3 阳极氧化法制备TNT薄膜的实验装置30-31
• 2.2.4 TNT薄膜的形成机理31-32
• 2.2.5 实验操作过程32-33
• 2.2.6 以FTO为基底的TNT涂层的制备33-34
• 2.2.7 染料敏化太阳能电池的制备34
• 2.2.8 试样表征34-35
• 2.3 实验结果与讨论35-46
• 2.3.1 氧化电压对二氧化钛纳米管阵列薄膜形貌的影响35-37
• 2.3.2 二氧化钛纳米管阵列的XRD图谱分析37-38
• 2.3.3 氧化时间对二氧化钛纳米管阵列形貌的影响38-39
• 2.3.4 TNT染料敏化太阳能电池的工作机理39-41
• 2.3.5 TNT敏化太阳能电池的光伏特性41-42
• 2.3.6 TNT/Ti的光电性能42-46
• 2.3.7 TNT/FTO光阳极的光伏特性46
• 2.4 本章小结46-48
• 第3章 氧化铁纳米管的制备及研究48-60
• 3.1 序言48
• 3.2 实验部分48-51
• 3.2.1 电解液的配制48
• 3.2.2 样品处理48-49
• 3.2.3 阳极氧化49-51
• 3.3 实验结果与讨论51-58
• 3.3.1 氧化电压对纳米管阵列影响51-52
• 3.3.2 F-离子浓度对阳极氧化产物形貌的影响52-53
• 3.3.3 氧化时间对阳极氧化产物形貌的影响53-54
• 3.3.4 Fe_2O_3纳米管阵列形成机理54-57
• 3.3.5 退火温度对Fe_2O_3纳米管结构的影响57-58
• 3.4 本章小结58-60
• 第4章 FeS_2纳米管阵列的制备及光电性能研究60-74
• 4.1 序言60-61
• 4.2 实验部分61-63
• 4.2.1 实验试剂61
• 4.2.2 实验仪器61
• 4.2.3 前驱体硫化法制备FeS_2纳米管阵列涂层61-63
• 4.3 实验结果与讨论63-73
• 4.3.1 硫源的选择63-65
• 4.3.2 硫源浓度的选择65-67
• 4.3.3 硫化时间的选择67-69
• 4.3.4 样品的拉曼光谱分析69-71
• 4.3.5 FeS_2纳米管阵列涂层的光电性能71-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第5章 结论74-76
• 参考文献76-83
• 致谢83

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