ZnO基染料敏化太阳能电池光阳极的制备及光伏性能研究

【摘要】：在能源危机与环境污染日益凸显和亟待解决的大背景下，以太阳能为代表的新能源的开发与利用，实现能源产业的可持续发展成为缓解能源危机与环境污染局势的关键。太阳能电池作为太阳能光伏应用的有效器件之一，得到了越来越多的科研工作者的研究和关注。本论文对太阳能电池的研究发展状况，尤其是染料敏化太阳能电池(DSSCs)的组成结构、工作原理、光电性能的影响因素以及表征测试方法，做了较为详细的论述，着重把提高ZnO DSSCs的光电转换效率作为本论文工作的出发点，开展了以下几方面的工作： 1.通过乙酸锌水溶液处理ZnO纳米晶光阳极，讨论了ZnO纳米晶DSSCs的表面化学修饰处理对DSSCs光电性能及电化学性能的影响。研究表明乙酸锌水溶液处理ZnO纳米晶光阳极后，光阳极中形成了纳米团聚体结构，并且随着处理时间的延长，纳米团聚体的数量增多且尺寸分布不均匀，表面有微孔。这样的结构一方面能有效减小纳米晶颗粒间的晶界数，减小光生电子的散射，抑制电子的复合；另一方面，纳米团聚体能起到光散射层的作用，增加光的捕获效率，而表面的微孔有利于电解液的渗入。 2.采用同轴静电纺丝法制备了TiO_2空心纳米纤维，并经聚乙二醇超声分散后掺入到ZnO纳米晶浆料中，制备了一系列不同质量分数的电极浆料，再通过传统的刮涂法制备了TiO_2/ZnO复合光阳极。研究了TiO_2空心纳米纤维作为光散射层对复合光阳极的光捕获效率的影响，结合ZnO纳米颗粒在染料吸附方面的贡献，讨论了不同质量分数TiO_2空心纳米纤维的掺杂对电池光电转换效率的影响。同时，研究了ZnO与TiO_2由于能级结构的差别在复合光阳极中形成的能量势垒对电子注入和复合的影响。结果表明，随着TiO_2空心纤维的掺入，光阳极的光捕获效率逐渐增大，尤其是在600～800nm的光波区域内。TiO_2空心纤维的质量分数为10%时，获得最大的短路电流密度13.15mA·cm~(-2)和最高的光电转换效率4.59%。 3.采用溶胶凝胶法制备前驱体溶液，结合静电喷雾法制备了ZnO纳米球。将其作为阳极材料，组装ZnO纳米球的DSSCs，研究其光电转换性能，并结合暗态下的电化学阻抗谱，研究了ZnO纳米球光阳极与电解液界面的电子复合情况。结果表明，ZnO纳米球作光阳极能有效抑制电子复合，延长电子寿命。 【关键词】：DSSCs TiO_2空心纳米纤维 复合光阳极 ZnO纳米球 电化学阻抗
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 引言9
• 1.2 太阳能电池的发展背景和方向9-12
• 1.2.1 硅基太阳能电池10
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池10-11
• 1.2.3 聚合物多层修饰太阳能电池11
• 1.2.4 纳米晶染料敏化太阳能电池(DSSCs)11-12
• 1.3 DSSCs 的结构、工作原理及测试条件和表征参数12-17
• 1.3.1 DSSCs 的结构12-13
• 1.3.2 DSSCs 的工作原理13-15
• 1.3.3 DSSCs 的测试条件和主要性能表征参数15-17
• 1.4 选题背景及研究现状17-20
• 1.4.1 选题背景17
• 1.4.2 ZnO DSSCs 的研究现状17-20
• 1.5 本论文的设计思路及主要研究内容20-21
• 第2章 乙酸锌预处理对 ZnO 纳米晶 DSSCs 性能的影响21-32
• 2.1 引言21
• 2.2 实验部分21-26
• 2.2.1 实验材料21-22
• 2.2.2 实验仪器设备22
• 2.2.3 ZnO 光阳极的制备工艺流程22-23
• 2.2.4 电池的组装23
• 2.2.5 表征与测试方法23-26
• 2.3 结果与讨论26-31
• 2.3.1 乙酸锌预处理光阳极表面形貌分析26
• 2.3.2 乙酸锌预处理对 DSSCs 光伏性能影响分析26-29
• 2.3.3 乙酸锌处理对光阳极染料吸附量的影响29
• 2.3.4 乙酸锌处理对 DSSCs 电化学性能影响29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 TiO_2纳米纤维/ZnO 纳米颗粒复合光阳极的制备及光电性能研究32-45
• 3.1 引言32-33
• 3.2 实验部分33-37
• 3.2.1 实验材料33
• 3.2.2 实验仪器设备33-34
• 3.2.3 ZnO NPs/TiO_2NFs 复合光阳极的制备34-36
• 3.2.5 表征与测试方法36-37
• 3.3 结果与讨论37-44
• 3.3.1 TiO_2空心纤维的形貌及结构分析37-38
• 3.3.2 ZnO NPs/TiO_2NFs 复合光阳极的表面形貌分析38
• 3.3.3 ZnO NPs/TiO_2NFs 复合光阳极的晶体结构分析38-39
• 3.3.4 ZnO NPs/TiO_2NFs 复合光阳极光伏性能分析39-40
• 3.3.5 ZnO NPs/TiO_2NFs 复合光阳极染料吸附量分析40-41
• 3.3.6 ZnO NPs/TiO_2NFs 复合光阳极透射光谱分析41-42
• 3.3.7 ZnO NPs/TiO_2NFs 复合光阳极 DSSCs 电化学阻抗分析42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 电喷法制备 ZnO 纳米球及其用作 DSSCs 光阳极的研究45-52
• 4.1 引言45-46
• 4.2 实验部分46-48
• 4.2.1 实验材料46
• 4.2.2 实验仪器设备46-47
• 4.2.3 ZnO 纳米球光阳极的制备47-48
• 4.2.5 表征与测试方法48
• 4.3 结果与讨论48-51
• 4.3.1 表面形貌分析48-49
• 4.3.2 X 射线衍射(XRD)分析49
• 4.3.3 光伏性能分析49-50
• 4.3.4 电化学性能研究50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 总结与展望52-54
• 参考文献54-60
• 致谢60-61
• 攻读硕士期间发表的论文情况61

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