二氧化锡光阳极改性对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

【摘要】：半导体纳米晶染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)由于其高效低廉的优势成为了当前太阳能电池领域研究的热点。二氧化锡(SnO2)作为DSSC光阳极的理想材料具有比TiO2更为快速的电子传输速度，但目前SnO2-DSSC的光电转换效率仍然较低。因此本研究致力于寻找改善SnO2光阳极的方法，以提高SnO2-DSSC的光电性能。 本论文采用溶剂热法通过控制反应条件合成三维花状形貌的SnO2晶体，并改变保温时间以追踪花状SnO2晶体的形成过程，利用X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、红外光谱仪(IR)等对SnO2晶体进行结构及形貌的测试分析。结果表明，三维花状SnO2晶体是由(110)晶面围成，随保温时间增加沿[001]方向生长的棒状结构交错构成；花状SnO2晶体的形成是由晶体内部结构及外部环境共同作用形成的。 采用传统光阳极溶胶制备方法将以上不同形貌的SnO2粉体制备成溶胶，利用刮涂技术在FTO导电玻璃上涂覆SnO2光阳极薄膜，并通过不同浓度的TiCl4溶液进行处理。对制备出的SnO2光阳极进行SEM微观形貌和紫外吸光性能(UV-Vis)的测试表征，对组装后的DDSCs进行光电性能(J-V曲线)及电荷传输行为(EIS曲线)的测试分析。结果表明：花状形貌的SnO2-DSSC相比球形形貌具有更优异光电性能，光电转换效率(η)提高了38%，达到了0.65%；经TiCl4溶液处理后得到的SnO2-TiO2-DSSC光电转换效率相比纯SnO2-DSSC提高了近4倍；当TiCl4浓度为0.15M时，电池的光电转换效率达到最大，η=3.24%，且其电荷的传输行为也达到最优。因此改变SnO2的微观形貌和TiCl4溶液的处理均有利于改善SnO2-DSSC的光电性能。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 花状SnO2晶体 SnO2光阳极 光电转换效率
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题背景11
• 1.2 太阳能电池的研究进展11-12
• 1.3 染料敏化太阳能电池的结构及原理12-13
• 1.4 DSSC 光阳极的研究进展13-14
• 1.4.1 半导体光阳极材料的选择13
• 1.4.2 纳米 SnO_2薄膜光阳极13-14
• 1.5 SnO_2薄膜光阳极的改性方法14-16
• 1.5.1 改变 SnO_2微观形貌改性14-15
• 1.5.2 薄膜修饰或复合改性15
• 1.5.3 金属或离子掺杂改性15
• 1.5.4 量子点敏化改性15-16
• 1.6 SnO_2-DSSC 的电子传输过程16-17
• 1.7 本论文的立题思想及主要研究内容17-18
• 第2章 样品制备与表征18-27
• 2.1 实验原料及仪器18-20
• 2.1.1 实验原料18-19
• 2.1.2 实验设备及测试仪器19-20
• 2.2 FTO 导电玻璃的处理20
• 2.3 SnO_2纳米晶粉体的制备20-21
• 2.3.1 表面活性剂制备花状 SnO_2纳米晶粉体20-21
• 2.3.2 离子掺杂制备花状 SnO_2纳米晶粉体21
• 2.4 SnO_2基薄膜光阳极的制备21-22
• 2.4.1 SnO_2薄膜光阳极的制备21-22
• 2.4.2 SnO_2-TiO_2薄膜光阳极的制备22
• 2.5 电解质及染料的制备22
• 2.5.1 离子液态电解质的制备22
• 2.5.2 N3 染料的制备22
• 2.6 电池的组装22-24
• 2.7 测试与表征方法24-26
• 2.7.1 X 射线衍射分析(XRD)24
• 2.7.2 场发射扫描电子显微镜分析(SEM)24
• 2.7.3 透射电子显微镜分析(TEM)24
• 2.7.4 紫外-可见分光光度计分析(UV-Vis)24-25
• 2.7.5 红外光谱仪分析(IR)25
• 2.7.6 氮吸附-脱附比表面积仪分析(BET)25
• 2.7.7 电池的光电性能分析 (J-V 曲线)25-26
• 2.7.8 电池的电荷传输行为分析 (EIS 曲线)26
• 2.8 本章小结26-27
• 第3章 花状 SnO_2纳米晶的表征分析及生长机理讨论27-41
• 3.1 前言27
• 3.2 花状结构 SnO_2粉体的表征27-30
• 3.2.1 XRD 物相分析27-28
• 3.2.2 SEM 微观形貌分析28-29
• 3.2.3 TEM 形貌及结构分析29-30
• 3.3 花状 SnO_2晶体的形成过程表征30-37
• 3.3.1 SEM 微观形貌变化分析30-32
• 3.3.2 XRD 物相变化分析32-34
• 3.3.3 IR 基团结构变化分析34-35
• 3.3.4 比表面积变化分析35-37
• 3.4 花状 SnO_2晶体的生长机理讨论37-40
• 3.4.1 晶体形成的理论基础37-38
• 3.4.2 花状 SnO_2晶体的形成机理初探38-39
• 3.4.3 离子掺杂形成的花状 SnO_2晶体39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 SnO_2基光阳极表征分析及电池光电性能讨论41-57
• 4.1 前言41
• 4.2 SnO_2薄膜光阳极表征及电池性能分析41-47
• 4.2.1 SnO_2光阳极薄膜形貌表征41-43
• 4.2.2 SnO_2薄膜光阳极的吸光性能表征43-45
• 4.2.3 SnO_2-DSSC 的光电性能分析45-46
• 4.2.4 SnO_2-DSSC 的电荷传输行为分析46-47
• 4.3 SnO_2- TiO_2薄膜光阳极表征及电池性能分析47-52
• 4.3.1 SnO_2-TiO_2光阳极薄膜物相表征48
• 4.3.2 SnO_2-TiO_2光阳极薄膜形貌表征48-49
• 4.3.3 SnO_2-TiO_2薄膜光阳极的吸光性能表征49-50
• 4.3.4 SnO_2-TiO_2-DSSC 的光电性能分析50-51
• 4.3.5 SnO_2-TiO_2-DSSC 的电荷传输行为分析51-52
• 4.4 不同浓度 TiCl4对 SnO_2光阳极及电池性能的影响52-56
• 4.4.1 不同浓度 TiCl4对 SnO_2光阳极吸光性影响53-54
• 4.4.2 不同浓度 TiCl4对 SnO_2-DSSC 光电性能影响54-55
• 4.4.3 不同浓度 TiCl4对 SnO_2-DSSC 电荷传输行为影响55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-63
• 攻读学位期间发表的学术论文63-64
• 致谢64

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