磁控溅射法制备碳膜及在太阳能电池中的应用研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells，简称DSSCs）是20世纪90年代发展起来的一种廉价，高效，制备工艺简单的新型薄膜太阳能电池。1991年，瑞士洛桑高等工业学院Gr tzel等人首次利用纳米技术制备染料敏化太阳能电池，并得到了7%的光电转化率，从此染料敏化太阳能电池便成为各界学者的研究热点，迅速发展起来。对电极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分之一，主要参与电子的收集和输运过程，通常由载有铂催化剂的导电玻璃构成，由于铂成本较高，因此人们尝试采用廉价的炭材料作为对电极来代替铂。炭材料催化活性高，导电性好，性能稳定，而且成本低，近年来受到广大学者的关注。目前，炭材料作为对电极的染料敏化太阳能电池的光电转化率已经达到了10.04%。 本实验采用双极脉冲磁控溅射的方法，以石墨为靶材，在FTO导电玻璃上沉积碳膜，作为染料敏化太阳能电池的对电极，组装电池，并对其进行光电性能测试，分析了溅射功率、衬底温度、工作气压、氮掺杂量等工艺条件对碳膜的物相结构、表面形貌、方块电阻及电池的光电转化率等方面的影响，以确定最佳的实验条件和工艺参数。 实验结果表明，磁控溅射法制备的碳膜为非晶态的类金刚石结构，经过热处理可以提高其石墨化程度，降低电阻值，提高对电极的导电性能。溅射功率的大小影响着薄膜表面的粗糙程度。工作气压的高低可以改变碳膜对太阳光的透过率。适量的氮掺杂能够提高碳膜的导电性。采用磁控溅射法制备的碳膜对电极在溅射功率为50W，衬底温度为400℃，工作气压为0.5Pa，氮气分压为30%的条件时，DSSCs的光电转化率最高，为1.16%。与传统的丝网印刷法制备的石墨对电极和真空蒸发法制备的铂对电极相比，磁控溅射法制备碳对电极的短路电流密度、开路电压、填充因子、光电转化率等性能参数均有所降低，但是仍有良好的发展前景和应用空间。 【关键词】：磁控溅射 碳膜 对电极 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-12
• 第二章 文献综述12-25
• 2.1 染料敏化太阳能电池简介12-16
• 2.1.1 染料敏化太阳能电池的结构12-15
• 2.1.1.1 光阳极12-13
• 2.1.1.2 对电极13-14
• 2.1.1.3 电解质14
• 2.1.1.4 染料敏化剂14-15
• 2.1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理15-16
• 2.1.3 染料敏化太阳能电池的性能参数16
• 2.2 染料敏化太阳能电池中炭材料对电极的研究进展16-19
• 2.2.1 石墨对电极16-17
• 2.2.2 炭黑对电极17
• 2.2.3 碳纳米管对电极17-18
• 2.2.4 非晶态对电极18
• 2.2.5 其它形态碳对电极18-19
• 2.3 磁控溅射法制备碳膜的研究进展19-24
• 2.3.1 磁控溅射镀膜的工作原理及特点19-21
• 2.3.2 磁控溅射制备碳膜的种类21-23
• 2.3.2.1 四面体碳膜21
• 2.3.2.2 类金刚石碳膜21-22
• 2.3.2.3 类石墨碳膜22
• 2.3.2.4 含氢碳膜22-23
• 2.3.2.5 含氮碳膜23
• 2.3.3 磁控溅射法制备碳膜的性能及应用23-24
• 2.4 课题的研究意义和创新之处24-25
• 第三章 实验部分25-32
• 3.1 实验药品及仪器设备25-26
• 3.2 导电玻璃基底的清洗26-27
• 3.3 对电极的制备27-28
• 3.3.1 磁控溅射法27
• 3.3.2 真空蒸镀法27-28
• 3.3.3 丝网印刷法28
• 3.4 光阳极 TiO_2薄膜的制备28-29
• 3.4.1 TiO_2致密膜的制备28
• 3.4.2 TiO_2多孔膜的制备28-29
• 3.5 染料的配制与吸附29
• 3.6 电解液的配置29
• 3.7 染料敏化太阳能电池的组装29
• 3.8 分析测试方法29-32
• 3.8.1 物相结构分析29-30
• 3.8.1.1 XRD29-30
• 3.8.1.2 Raman spectra30
• 3.8.1.3 XPS30
• 3.8.1.4 FTIR30
• 3.8.2 微观形貌分析30
• 3.8.2.1 SEM30
• 3.8.2.2 AFM30
• 3.8.3 电池光电性能测试30-32
• 3.8.3.1 方块电阻测试30-31
• 3.8.3.2 UV-VIS31
• 3.8.3.3 V-I 曲线31-32
• 第四章 结果与讨论32-54
• 4.1 靶材原料分析32-34
• 4.1.1 靶材原料的 XRD32-33
• 4.1.2 靶材的表面形貌33-34
• 4.2 溅射功率的影响34-35
• 4.2.1 不同功率下碳膜的表面形貌34
• 4.2.2 不同功率下碳膜的电阻34-35
• 4.3 衬底温度的影响35-41
• 4.3.1 不同衬底温度下碳膜的结构35-37
• 4.3.2 不同衬底温度下碳膜的表面形貌37-39
• 4.3.3 不同衬底温度下碳膜的电阻39
• 4.3.4 不同衬底温度下碳膜对电极的 DSSCs 的 V-I 曲线39-41
• 4.4 工作气压的影响41-45
• 4.4.1 不同工作气压下碳膜的结构41-42
• 4.4.2 不同工作气压下碳膜的光透过性42-43
• 4.4.3 不同工作气压下碳膜的电阻43-44
• 4.4.4 不同工作气压下碳膜对电极的 DSSCs 的 V-I 曲线44-45
• 4.5 氮掺杂量的影响45-51
• 4.5.1 氮掺杂碳膜的结构45-48
• 4.5.2 不同氮掺杂量下碳膜的表面形貌48-49
• 4.5.3 不同氮掺杂量下碳膜的电阻49
• 4.5.4 不同氮掺杂量下碳膜对电极的 DSSCs 的 V-I 曲线49-51
• 4.6 不同对电极材料的影响51-54
• 4.6.1 不同对电极材料的表面形貌51-52
• 4.6.2 不同对电极材料的电阻52
• 4.6.3 不同对电极材料的 DSSCs 的 V-I 曲线52-54
• 第五章 结论54-55
• 参考文献55-59
• 致谢59-60
• 附录A 攻读硕士期间发表的论文及成果60

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