基于石墨烯和量子点的染料敏化太阳能电池的研究

【摘要】：当今世界面临着严峻的能源问题和严重的环境污染，亟待寻求新的、绿色的、可再生的能源来代替传统的化石能源。太阳能以其取之不尽用之不竭、清洁、安全高效等优点成为解决能源问题的研究热点，而太阳能电池是利用太阳能最重要、最有效的途径。自1991年，Gratzel首次报道了低成本、制作简单、光电转换效率相对较高的染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSSC)，经过20多年的发展，DSSC目前已经成为最有潜力的硅基太阳能电池的替代物。虽然DSSC的光电转换效率已经超过了12%，但是如何进一步提高电池的效率依然是DSSC研究中的热点问题。 石墨烯是一种二维的sp2杂化的碳材料，其独特物理、化学特性使得其在光伏领域具有潜在的应用。由于其具有高载流子迁移速率和高比表面积，近年来其在DSSC中的应用受到广泛地关注。为了改进光阳极的性能，本文采用水热法来制备石墨烯/TiO_2复合物，然后将其应用到DSSC光阳极中，利用其特性来提高DSSC的性能；同时利用该复合物来提高CdS量子点敏化的太阳能电池(QDSSC)的性能。另一方面，针对目前CdS QDSSC的效率很低的问题，采用染料修饰来提高电池光电转换效率。具体研究内容如下： (1)采用改进型的Hummers’法制备氧化石墨，然后采用一步水热法制备了石墨烯和TiO_2的混合胶体，同时这个过程中形成了石墨烯/TiO_2复合物，采用此胶体制备了石墨烯/TiO_2(RGT)光阳极。实验结果表明RGT薄膜具有高孔隙度和高比表面，使其能吸附更多的染料分子，同时RGT薄膜光阳极能够加速电子传输和抑制电荷的复合。在最优的石墨烯添加量和模拟太阳光的照射下(100mW·cm2，AM1.5)，基于RGT光阳极的DSSC的短路电流密度和光电转换效率分别为14.37mA·cm2和7.52%，这个结果相较于基于纯TiO_2光阳极的电池分别提高了21%和17%。 (2)把RGT光阳极应用到量子点敏化的太阳能电池中，实验结果表明RGT有利于CdS量子点在膜上的负载，另一方面，RGT薄膜光阳极能够加速电子传输和抑制电荷的复合，从而提高电池的短路电流和总光电转换效率。最优条件下，基于RGT光阳极的QDSSC的短路电流密度和光电转换效率分别为7.19mA·cm~2和1.7%，相较于基于纯TiO_2光阳极的电池分别提高了51%和57%。 (3)采用SILAR技术制备CdS量子点敏化的TiO_2薄膜，然后采用染料修饰此薄膜制备TiO_2/CdS/dye光阳极。实验结果表明染料对CdS敏化的光阳极的修饰能够拓宽电池对光谱的响应范围，另一方面TiO_2/CdS/dye光阳极能够抑制光生电子和空穴的复合和提高电子的寿命。和用TiO_2/CdS作光阳极的电池比较，用TiO_2/CdS/dye作光阳极的电池的短路电流密度和总光电转换效率分别提高了77%和117%。 【关键词】：敏化太阳能 量子点 石墨烯/TiO_2复合物 光阳极 染料修饰
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O613.71;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-28
• 1.1 引言10-11
• 1.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理11-14
• 1.3 染料敏化太阳能电池的研究进展14-21
• 1.3.1 光阳极的研究进展15-17
• 1.3.2 光敏剂的研究进展17-20
• 1.3.3 电解质的研究进展20-21
• 1.3.4 对电极的研究进展21
• 1.4 石墨烯21-25
• 1.4.1 石墨烯的特性22-23
• 1.4.2 石墨烯的制备23-24
• 1.4.3 石墨烯在 DSSC 中的应用24-25
• 1.5 本文的研究内容和意义25-28
• 第2章 石墨烯/TiO_2的制备及其在 DSSC 中的应用28-42
• 2.1 引言28
• 2.2 实验内容28-31
• 2.2.1 实验药品和仪器28-30
• 2.2.2 氧化石墨的制备30
• 2.2.3 石墨烯/TiO_2胶体的制备30-31
• 2.2.4 DSSC 的制备31
• 2.3 结果与讨论31-39
• 2.3.1 石墨烯/TiO_2的形貌分析31-34
• 2.3.2 XRD 和 Raman 光谱34-35
• 2.3.3 EIS 分析35-36
• 2.3.4 光电性能分析36-39
• 2.4 本章小结39-42
• 第3章 石墨烯/TiO_2的制备及其在 QDSSC 中的应用42-56
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验内容43-46
• 3.2.1 实验药品和仪器43
• 3.2.2 氧化石墨的制备43
• 3.2.3 石墨烯/TiO_2胶体的制备43
• 3.2.4 QDSSC 的制备43-45
• 3.2.5 样品的表征45-46
• 3.3 结果与分析46-54
• 3.3.1 形貌和结构分析46-48
• 3.3.2 XRD 和 Raman 光谱48-50
• 3.3.3 UV-vis 吸收光谱50
• 3.3.4 EIS 分析50-51
• 3.3.5 光电性能分析51-54
• 3.4 本章小结54-56
• 第4章 染料改性的 CdS 量子点敏化的太阳能电池56-68
• 4.1 引言56-57
• 4.2 实验内容57-59
• 4.2.1 实验药品和仪器57
• 4.2.2 TiO_2胶体的制备57
• 4.2.3 光阳极的制备57-59
• 4.2.4 电池的组装59
• 4.2.5 样品的表征59
• 4.3 结果与讨论59-66
• 4.3.1 样品形貌分析59-62
• 4.3.2 UV-vis 吸收光谱62
• 4.3.3 PL 发射光谱62-63
• 4.3.4 光电性能分析63-65
• 4.3.5 EIS 分析65-66
• 4.4 本章小结66-68
• 第5章 总结68-70
• 参考文献70-84
• 致谢84-86
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果86-87

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