聚苯胺在Sb_2S_3/SnS敏化太阳能电池中的应用研究

【摘要】：地球上的化石燃料因其储量有限，在21世纪内将会消耗殆尽。因此，新型清洁能源和可再生能源的寻找已成为世界各国所普遍关注和急须应对的问题。太阳能作为一种用之不竭、取之不尽的绿色能源很有优势，而利用太阳能的主要途径之一是制作低成本、高效率、原材料丰富和无污染的光伏电池。 在过去二十年里，染料敏化太阳能电池作为一种新型太阳能电池成为国际上研究的重点和热点。近年来，一种替代染料作为光敏化剂的半导体敏化太阳能电池引起人们的关注，该电池又名量子点敏化太阳能电池或超薄吸光层太阳能电池，一些金属硫族半导体如CdS、CdSe、PbS、PbSe、SnS、Sb_2S_3等已经被用于该类电池中并获得持续不断提高的光电转换效率。本文将聚苯胺(PAn)分别用在Sb_2S_3和SnS敏化太阳能电池电解质和对电极部件中，开展了如下几个方面研究： 1) Sb_2S_3、SnS敏化TiO_2纳米晶膜及PAn的制备：采用化学浴沉积（CBD）制备了Sb_2S_3敏化TiO_2纳米晶膜，通过FESEM、TEM和紫外可见吸收光谱对其表面形貌，光吸收能力进行表征。通过优化制备条件发现，当用乙酸替代丙酮做溶剂时，制备的Sb_2S_3敏化TiO_2膜为微米-纳米层状结构，较之丙酮做溶剂制备的微米结构具有较高的光吸收能力（短波区）；进一步优化制备浓度和时间，发现当用较低浓度溶液进行沉积，沉积时间为2.5h时制备出的Sb_2S_3敏化TiO_2膜为纳米结构，较之微米-纳米层状结构的Sb_2S_3敏化TiO_2膜具有更高的光吸收能力。用离子交换沉积制备SnS超薄吸光层，离子交换沉积次数为9次时硫化亚锡膜具有较好的光吸收能力、均匀的表面形貌和晶体结构；TEM测试发现，所合成的聚苯胺呈纳米棒状结构，SEM测试发现由这些聚苯胺构成的膜是多孔网状结构，有利于电子的传输。 2)含PAn固体电解质的Sb_2S_3敏化太阳能电池研究：以Sb_2S_3敏化TiO_2膜为光阳极、以聚苯胺为空穴传输媒介和以铂为催化剂制备的对电极组装Sb_2S_3敏化太阳能电池，通过I-V测试，阻抗测试对其光电性能进行表征。通过含不同光阳极的电池光电性能测试表明：用乙酸做溶剂制备出的微米-纳米层状结构Sb_2S_3敏化光阳极较之丙酮做溶剂制备的微米结构Sb_2S_3敏化光阳极组装的电池具有较低的电荷转移阻抗，较高的电子寿命因而表现出较高的光电性能，两电池的光电转换效率分别为0.71%和0.88%；为了进一步提高电池光电转换效率，通过优化溶液浓度和沉积时间，发现当用较低沉积浓度沉积时间为2.5h时，制备出的纳米结构超薄Sb_2S_3敏化太阳能电池较之用较高浓度制备出的微米-纳米层状结构Sb_2S_3敏化太阳能电池具备更高的光电性能：短路电流密度可达6.92mA cm-2,开路电压为1.098V，填充因子为0.497，光电转换效率高达3.78%。 3)含PAn对电极的SnS敏化太阳能电池研究：采用离子交换沉积法制备了SnS敏化纳晶TiO_2光阳极，通过SEM、XRD、UV-vis等手段对光阳极的表面形貌，晶态结构，紫外-可见吸收和散色性能进行表征，并分别以聚苯胺和铂为催化剂制备对电极，以含碘氧化还原电对和硫氧化还原电对溶液为电解质，组装SnS敏化太阳能电池，对其光电性能进行研究。通过比较不同光阳极、电解质和对电极的组合，发现用光阳极为离子交换沉积9次SnS敏化的纳晶TiO_2膜，对电极为聚苯胺不锈钢网压片膜，电解质为含硫氧化还原电对溶液组装的太阳能电池光电性能最佳，其短路电流，开路电压，填充因子和光电转换效率分别达到4.59mA·cm-2，0.547V，0.505和1.27%。 【关键词】：无机半导体 太阳能电池 聚苯胺 硫化锑 硫化亚锡
【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】：O633.21;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 引言10-11
• 1.2 量子点敏化太阳能电池的结构和工作原理11-12
• 1.2.1 量子点敏化太阳能电池的结构11-12
• 1.2.2 量子点敏化太阳能电池的工作原理12
• 1.3 量子点敏化太阳能电池的研究进展12-15
• 1.3.1 量子点敏化太阳能电池中的光阳极12-14
• 1.3.2 量子点敏化太阳能电池中的电解质14
• 1.3.3 量子点敏化太阳能电池中的对电极14-15
• 1.4 量子点敏化太阳能电池所面临的困难与挑战15
• 1.5 本论文的研究目的及研究内容15-18
• 第2章 Sb_2S_3和 SnS 敏化 TiO_2纳晶膜的制备及聚苯胺的合成18-24
• 2.1 引言18
• 2.2 主要实验药品与仪器18-20
• 2.2.1 主要药品18-19
• 2.2.2 主要仪器19-20
• 2.3 量子点太阳能电池中光阳极的制备20-21
• 2.3.1 导电玻璃的预处理20
• 2.3.2 TiO_2胶体的制备20
• 2.3.3 TiO_2膜的预处理20
• 2.3.4 Sb_2S_3敏化 TiO_2膜的制备20-21
• 2.3.5 SnS 敏化 TiO_2膜的制备21
• 2.4 聚苯胺的合成及 CV 实验21-22
• 2.5 量子点敏化太阳能电池中电解质的配制22
• 2.5.1 Sb_2S_3敏化太阳能电池电解液的配制22
• 2.5.2 SnS 敏化太阳能电池电解液的配制22
• 2.6 量子点敏化太阳能电池中对电极的制备22-24
• 2.6.1 Sb_2S_3敏化太阳能电池中铂对电极的制备22-23
• 2.6.2 SnS 敏化太阳能电池中 PAn 对电极的制备23-24
• 第3章 聚苯胺形貌及性能表征24-28
• 3.1 引言24
• 3.2 聚苯胺性能表征24-27
• 3.2.1 PAn 的 FESEM 和 TEM 图24-25
• 3.2.2 PAn 的红外测试25-26
• 3.2.3 PAn 循环伏安测试和紫外吸收图谱26-27
• 3.3 本章小结27-28
• 第4章 含聚苯胺固体电解质的 Sb_2S_3敏化太阳能电池28-44
• 4.1 引言28
• 4.2 聚苯胺作为固体电解质所具有的性质28-29
• 4.3 结果与讨论29-42
• 4.3.1 不同 CBD 溶剂对 Sb_2S_3敏化太阳能电池性能的影响29-32
• 4.3.2 不同厚度 Sb_2S_3敏化层对其电池性能的影响32-37
• 4.3.3 不同 CBD 沉积时间对 Sb_2S_3敏化太阳能电池性能的影响37-42
• 4.4 本章小结42-44
• 第5章 含聚苯胺对电极的 SnS 敏化太阳能电池44-54
• 5.1 引言44-45
• 5.2 硫化亚锡性能表征45-49
• 5.2.1 SnS 和 TiO_2晶型45-46
• 5.2.2 SnS 的 SEM 图46-47
• 5.2.3 SnS 的紫外可见吸收光谱与漫反射光谱47-49
• 5.3 SnS 敏化太阳能电池49-52
• 5.4 本章小结52-54
• 第6章 总结54-56
• 参考文献56-67
• 致谢67-69
• 个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果69

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