染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极非金属元素掺杂的研究

【摘要】：针对TiO_2带隙较宽、光利用率低的缺点，本论文采用非金属元素掺杂改性来提高其可见光活性和电子注入速率，进而提高电池的效率。本论文分别采用球磨法和水热法成功制备了非金属掺杂的TiO_2浆料，通过刮刀法将其制备成TiO_2薄膜电极，并对制备的电极的形貌、晶相、光电化学性能等进行研究。 本论文的主要内容如下： 1.采用球磨法制备氮掺杂的TiO_2光阳极，以X-射线衍射、扫描电镜、紫外-可见和X-射线光电子能谱测试薄膜的结构和性能；结果表明N取代O进入TiO_2晶格，提高了电子的注入效率，使得电池性能得到改善，提高了电池的效率；同时发现在尿素与P25摩尔比为1:1的时候，电池的效率最佳，与未掺杂的电池相比较效率提高了26%；当尿素与P25的摩尔比超过1:1时，随着尿素量的增加，反而降低了电池的光电转换率。 2.采用球磨法制备硫掺杂TiO_2光阳极，并将其成功应用在染料敏化纳米晶太阳能电池中。X-射线光电子能谱表明硫是以S6+形式取代了Ti~(4+)，同时通过能量图谱可以看出硫掺杂TiO_2光阳极的带隙能量明显减小，带宽变窄；这使得电子的注入效率提高，改善了电池的光电性能，提高了电池的效率；同时发现在硫脲与P25摩尔比为0.75:1的时候，电池的效率最佳，与未掺杂的电池相比较效率提高了24%；当硫脲与P25的摩尔比超过0.75:1时，由于加入过多的硫脲（S：TiO_2=1:3），煅烧时会在TiO_2表面形成硫的氧化物，这样大部分的硫在煅烧过程中会消失，降低了电池的光电转换效率。 3.采用水热法制备硫掺杂TiO_2光阳极，对制备的硫掺杂TiO_2进行物相分析，发现水热法制备的TiO_2和硫掺杂TiO_2都是锐钛矿，加入硫脲后对TiO_2晶相的改变影响不大；研究其光性能发现当TiO_2的量保持不变，加入硫脲为0.770g时制备的电极的光性能最佳；通过X-射线光电子能谱分析知道硫是以S~(6+)形式取代了Ti~(4+)，从X-射线光电子能谱图中，我们还可以看到当硫脲的含量从0g提高到0.770g时，硫的特征峰密度是增加的；然而当增加至1.15g，硫的特征峰密度反而有所降低。这可能是由于加入过多的硫脲，煅烧时会在TiO_2表面形成硫的氧化物，这样大部分的硫在煅烧过程中会消失。S-2样品电池的性能最优，开路电压为0.72V、短路光电流为16.00mAcm~(-2)、填充因子为0.648、转换效率为7.59%；并且硫掺杂电池的单色光转化效率明显高于未掺杂电池的效率。 【关键词】：染料敏化纳米晶太阳能电池 氮掺杂 硫掺杂
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-13
• 1 太阳能电池简介13-16
• 1.1 太阳能电池的发展史13-14
• 1.2 太阳能电池的发展现状及前景简析14-15
• 1.3 太阳能电池的分类15-16
• 2 染料敏化纳米晶太阳能电池16-24
• 2.1 结构16
• 2.2 工作原理16-18
• 2.3 基本概念18-19
• 2.4 光阳极19-20
• 2.4.1 化学改性19
• 2.4.2 元素掺杂19-20
• 2.4.3 形貌设计20
• 2.5 染料20
• 2.6 电解质20-21
• 2.7 论文的选题目的和依据21-24
• 3 球磨法制备染料敏化纳米晶太阳能电池掺杂二氧化钛光阳极24-45
• 3.1 引言24
• 3.2 氮掺杂TiO_2电极在染料敏化纳米晶太阳能电池中的应用24-34
• 3.2.1 实验材料24-25
• 3.2.2 合成氮掺杂 TiO_2浆料25
• 3.2.3 制备染料敏化纳米晶太阳能电池25
• 3.2.4 表征25-26
• 3.2.5 结果与讨论26-33
• 3.2.5.1 XPS 分析26-28
• 3.2.5.2 XRD 分析28-29
• 3.2.5.3 UV-vis 图谱29-30
• 3.2.5.4 SEM 图谱30-31
• 3.2.5.5 J-V 曲线31-32
• 3.2.5.6 IPCE 图谱32-33
• 3.2.6 结论33-34
• 3.3 硫掺杂TiO_2电极在染料敏化纳米晶太阳能电池中的应用34-45
• 3.3.1 实验材料34
• 3.3.2 合成硫掺杂 TiO_2浆料34
• 3.3.3 制备染料敏化纳米晶太阳能电池34
• 3.3.4 表征34-35
• 3.3.5 结果与讨论35-44
• 3.3.5.1 硫掺杂和未掺杂 TiO_2光阳极的形貌35-36
• 3.3.5.2 X-射线光电子能谱分析36-37
• 3.3.5.3 X-射线衍射能谱分析37
• 3.3.5.4 硫掺杂TiO_2薄膜的光性能37-38
• 3.3.5.5 硫掺杂TiO_2能级变化38-40
• 3.3.5.6 循环伏安曲线分析40
• 3.3.5.7 染料敏化纳米晶太阳能电池的性能40-41
• 3.3.5.8 单色光转换效率41-43
• 3.3.5.9 电池阻抗分析43-44
• 3.3.6 结论44-45
• 4 水热法制备料敏化纳米晶太阳能电池的掺杂二氧化钛光阳极45-51
• 4.1 引言45
• 4.2 实验45-46
• 4.2.1 试剂45
• 4.2.2 水热法合成硫掺杂二氧化钛45
• 4.2.3 组装染料敏化纳米晶太阳能电池45-46
• 4.2.4 结构表征与光电性能测试46
• 4.3 结果与讨论46-50
• 4.3.1 XRD 晶相分析46
• 4.3.2 UV-vis 光谱分析46-48
• 4.3.3 XPS 分析48
• 4.3.4 染料敏化纳米晶太阳能电池的性能48-50
• 4.4 结论50-51
• 5 前景与展望51-52
• 参考文献52-58
• 在学研究成果58-59
• 致谢59

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