ZnO纳米棒阵列制备及染料敏化太阳能电池研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的薄膜太阳能电池，其制备工艺简单，制作原料来源丰富，制备过程对环境无污染，电池光电性能比较稳定，且成本低廉。 人们通过对DSSC电池各个组成部分进行探索研究，制备出光电转换效率不断提高的染料敏化太阳能电池，因此，DSSC太阳能电池被认为具有诱人的发展前景和巨大的应用价值，有望取代传统硅系列太阳能电池。 在DSSC太阳能电池中，光阳极具有非常重要的作用，它不仅起到收集太阳光从而产生光生电子的作用，还要收集电子并把电子传输到外电路中，对光电池的转换效率具有直接影响。 在光阳极中，纳米半导体薄膜是不可或缺的部分，近年来研究较多的是纳米TiO2薄膜。而纳米ZnO作为新型纳米功能材料，具有优良的电子传输特性、良好的形貌可控性等优点，并且成本低廉，原料丰富，制备工艺简单，ZnO纳米薄膜也开始应用于DSSC中。 本文从染料敏化太阳能电池的光阳极研究出发，制备形貌整齐、尺寸均匀、比表面积大的ZnO纳米棒阵列薄膜电极，同时从植物果实中提取天然色素作为敏化剂，对敏化电极的光电性能进行分析，为进一步的研究奠定基础。 1.采用溶胶-凝胶法制备ZnO溶胶，利用旋转涂覆法在FTO导电玻璃上制备纳米ZnO种子层，利用SEM、XRD表征手段对种子层形貌和纳米ZnO粉体进行表征。实验中制备出均匀的纳米ZnO种子层。 2.采用低温溶液法在ZnO种子层上生长出ZnO纳米棒阵列，从生长时间、生长液浓度、基底放置方式对ZnO纳米棒的影响进行了研究，得出竖直放置的涂有种子层的FTO导电玻璃在90℃、生长液浓度为0.025mol/L、生长4h时能够获得比较整齐的ZnO纳米棒阵列，纳米棒生长均匀，直径约80nm，长度在600nm左右。 用酞菁染料ZnPc和量子点PbS分别单独和共同敏化ZnO纳米棒阵列薄膜电极，得到复合敏化时能极大提高电极在可见光区的光吸收。制备了ZnPc和PbS复合敏化的ZnO纳米棒薄膜光电池，测定了该电池的伏安特性曲线，得到开路电压为473mV，短路电流为2.06mA，填充因子0.49，转换效率为1.66%的染料敏化太阳能电池。 3.从植物果实中提取天然植物色素作为DSSC电池的敏化剂，利用天然染料代替成本较高的人工合成染料。从新鲜的草莓、桑葚中提取天然色素，对其光吸收特性和电极的敏化效果进行了测试与分析。组装DSSC电池并测试光电性能，得到草莓色素敏化的DSSC转换效率为3.9×10-4、桑葚色素敏化的为5.5×10-4。 【关键词】：太阳能电池 染料敏化 敏化剂 ZnO纳米棒阵列 光阳极
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 纳米氧化锌的研究进展11-18
• 1.1.1 氧化锌的基本性质12-14
• 1.1.2 纳米氧化锌的制备方法14-16
• 1.1.3 纳米氧化锌的研究现状及应用16-18
• 1.2 染料敏化太阳能电池18-24
• 1.2.1 太阳能电池的分类18-21
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的基本结构及工作原理21-24
• 1.3 染料敏化太阳能电池的研究进展24-28
• 1.3.1 光阳极半导体薄膜24-25
• 1.3.2 染料敏化剂的种类25-28
• 1.4 本论文的选题及意义28-29
• 第2章 ZnO 纳米棒薄膜光阳极的制备及相关表征29-41
• 2.1 主要试剂和仪器29-30
• 2.2 纳米 ZnO 种子层的制备30-34
• 2.2.1 ZnO 溶胶的制备30-32
• 2.2.2 基底的清洗32-33
• 2.2.3 种子层的制备33-34
• 2.3 氧化锌纳米棒阵列的制备34
• 2.3.1 生长溶液的配制34
• 2.3.2 氧化锌纳米棒阵列的制备34
• 2.4 相关表征与分析34-39
• 2.4.1 氧化锌种子层的表征34-35
• 2.4.2 生长时间对 ZnO 纳米棒阵列的影响35-38
• 2.4.3 生长液浓度对 ZnO 纳米棒生长的影响38
• 2.4.4 基底的放置方式对 ZnO 纳米棒的影响38-39
• 2.4.5 ZnO 纳米棒薄膜电极的 UV-vis 吸收光谱分析39
• 2.5 本章小结39-41
• 第3章 ZnO 纳米棒薄膜电极的敏化及性能研究41-47
• 3.1 主要试剂和仪器41
• 3.2 光阳极的敏化41-44
• 3.2.1 ZnO 纳米棒阵列光阳极的敏化41-42
• 3.2.2 敏化电极的 UV-vis 吸收光谱分析42-44
• 3.3 ZnO 纳米棒光阳极 DSSC 组装及光电性能分析44-46
• 3.3.1 DSSC 电池的组装45
• 3.3.2 DSSC 电池性能测试及分析45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 天然染料敏化 ZnO 纳米棒光阳极的研究47-53
• 4.1 主要试剂和仪器48-49
• 4.2 实验过程49
• 4.2.1 天然植物色素的提取49
• 4.2.2 天然染料敏化 ZnO 纳米棒光阳极的制备及 DSSC 的组装49
• 4.3 结果与讨论49-52
• 4.3.1 天然染料的光吸收特性分析49-50
• 4.3.2 天然染料敏化 ZnO 纳米棒阵列电极及 DSSC 性能测试50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 总结53-54
• 参考文献54-60
• 致谢60-61
• 附录攻读学位期间所发表的学术论文目录61

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