尖晶石类纳米粉体在染料敏化太阳能电池中的应用研究

【摘要】：染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池(DSSC电池)是一种新型光电化学太阳能电池，由于它制作工艺简单、成本低和性能稳定，并且对环境无污染，具有良好的开发前景。它是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。TiO2纳米薄膜的光电性能与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶度紧密相关，单一的TiO2纳米薄膜光电性能并不是很理想，合适的金属离子掺杂或将具有不同能级半导体纳米粒子复合在一起均可以提高电极的光电性能。本文对染料敏化纳米晶太阳能电池阳极的制备以及尖晶石纳米粉体的掺杂复合进行了研究。 本文采用水热法在不同温度条件下获得结晶度不同的纳米TiO2粉体，利用这些粉体制备出纳米多孔薄膜，应用于染料敏化太阳能电池，通过测试分析得到了水热法制备纳米TiO2粉体的最佳工艺。在此基础上，本文同样采用水热法制备了Zn2SnO4纳米粉体，Zn2SnO4纳米粉体按不同质量比掺杂到TiO2纳米粉体中，球磨分散得到印刷浆料，用丝网印刷法在FTO导电玻璃上制备Zn2SnO4/TiO2复合薄膜电极。利用Zn2SnO4这种宽禁带半导体与TiO2复合以后产生的能带耦合效应使复合薄膜的电子与空穴相互远离，从而提高电池的光电转化效率。文中考察了各种工艺参数对Zn2SnO4/TiO2复合薄膜电极性能的影响，对复合薄膜电极的机理进行了初步的探讨。 研究结果表明：在水热温度200℃、保温8h的条件下所制备的TiO2纳米粉体结晶度好、晶粒粒度适中，用其制备的TiO2薄膜电极相对于P25粉体获得了更好的电池性能。在P25粉体制备的TiO2薄膜电极中掺杂少量Zn2SnO4纳米粉体，可以提高TiO2薄膜电极的开路电压。Zn2SnO4掺杂量为3%时，薄膜电极开路电压明显提高，与纯TiO2薄膜电极相比，Voc提高了15.4%，达到了0.884V，Jsc提高了9.3%，η提高了47.6%。 【关键词】：水热法 二氧化钛 锡酸锌 掺杂 复合薄膜 染料敏化
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 引言10-12
• 第二章 文献综述12-26
• 2.1 染料敏化太阳能电池的结构及其原理12-15
• 2.1.1 染料敏化太阳能电池的结构12-13
• 2.1.2 染料敏化太阳能电池的动力学过程13-15
• 2.1.3 染料敏化太阳能电池中的电子传输机理15
• 2.2 染料敏化太阳能电池中二氧化钛工作电极的研究15-19
• 2.2.1 半导体电极16-18
• 2.2.2 纳米 TiO_2多孔膜的制备方法18-19
• 2.3 二氧化钛光阳极修饰改性的研究19-22
• 2.3.1 表面化学改性20
• 2.3.2 离子掺杂20
• 2.3.3 复合其他氧化物薄膜20-21
• 2.3.4 高能量表面改性21
• 2.3.5 形貌设计21-22
• 2.4 染料敏化太阳能电池电解质与对电极的研究22-23
• 2.4.1 染料敏化太阳能电池中电解质的研究22
• 2.4.2 染料敏化太阳能电池中对电极的研究22-23
• 2.5 存在问题及发展趋势23-24
• 2.6 选题的目的和意义24-26
• 第三章 实验26-39
• 3.1 实验药品及设备26-27
• 3.1.1 实验药品26-27
• 3.1.2 实验设备27
• 3.2 TiO_2薄膜电极的制备27-33
• 3.2.1 TiO_2纳米粉体的水热合成27-29
• 3.2.2 Zn_2SnO_4纳米粉体的水热合成29-30
• 3.2.3 导电玻璃基片清洗30
• 3.2.4 致密 TiO_2薄膜的制备30-31
• 3.2.5 TiO_2薄膜制备工艺31-33
• 3.2.5.1 TiO_2浆料的制备31-32
• 3.2.5.2 Zn_2SnO_4/TiO_2浆料的制备32
• 3.2.5.3 丝网印刷制膜32-33
• 3.2.5.4 薄膜电极的烧结33
• 3.3 染料配制与吸附33-34
• 3.4 电解质的制备34
• 3.5 铂对电极的制备34
• 3.6 染料敏化太阳能电池的组装34-35
• 3.7 染料敏化太阳能电池中描述光电性能的重要参数35-37
• 3.8 分析测试方法37-39
• 3.8.1 X 射线衍射分析37
• 3.8.2 透射电子显微镜分析37
• 3.8.3 粒度测试37
• 3.8.4 表面形貌测定37
• 3.8.5 吸光度分析37
• 3.8.6 厚度测定37-38
• 3.8.7 光电性能测试38-39
• 第四章 结果与讨论39-60
• 4.1 TiO_2纳米粉体分析39-43
• 4.1.1 TiO_2纳米粉体的 X-射线衍射分析39-41
• 4.1.2 TiO_2纳米粉体的结晶度测定41-42
• 4.1.3 TiO_2纳米粉体的 TEM 分析42-43
• 4.2 TiO_2薄膜电极分析43-49
• 4.2.1 TiO_2薄膜光学性能分析43-44
• 4.2.2 表面形貌44-46
• 4.2.3 TiO_2薄膜光电性能分析46-49
• 4.2.3.1 TiO_2的膜厚对光电性能的影响46-47
• 4.2.3.2 PEG 对 TiO_2薄膜电极光电性能的影响47-48
• 4.2.3.3 TiO_2纳米粉体结晶度对 TiO_2薄膜电极光电性能的影响48-49
• 4.3 Zn_2SnO_4纳米粉体分析49-55
• 4.3.1 不同热处理温度下 Zn_2SnO_4纳米粉体 X-射线衍射49-52
• 4.3.2 不同热处理时间下 Zn_2SnO_4纳米粉体 X-射线衍射52-53
• 4.3.3 PEG 对 Zn_2SnO_4粉体分散性的影响53-55
• 4.4 Zn_2SnO_4/TiO_2复合薄膜分析55-60
• 4.4.1 Zn_2SnO_4/TiO_2复合薄膜光电流-时间曲线测定分析55-56
• 4.4.2 Zn_2SnO_4/TiO_2复合薄膜暗电流与偏压测定分析56-58
• 4.4.3 Zn_2SnO_4/TiO_2复合薄膜光电性能分析58-60
• 第五章 结论60-61
• 参考文献61-67
• 致谢67-68
• 附录 A 作者攻读硕士期间发表的论文及成果68

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