BaSnO_3染料敏化太阳能电池的制备及其性能研究

【摘要】： 随着全球变暖,大气污染问题日趋严重化以及常规能源供应耗尽,开发和利用可再生绿色能源已成为人类社会所面临的重大课题。今天,太阳能发电被广泛认为是一种可持续增长的、绿色可再生的能源技术,而太阳能电池已经渐渐应用于各种各样的领域,从消费电子、小尺度分布式系统到兆瓦规模的集中火力发电厂都能发现它的存在。目前,太阳能电池是以固态光伏电池为主导的。以后太阳能电池将会向低廉高效的方向发展,染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)则正是因为这样的优势而获得了广泛的关注。虽然这种电池已经具有适度的光电转化效率,可是仍有许多方面需要进一步改进,比如电子的传输以及光吸收范围等。 自从瑞士洛桑联邦理工学院的Gr?tzel教授发明了这种由染料拓宽半导体纳米多孔薄膜光吸收范围的太阳能电池之后,许多的学术以及商业研究机构都对其产生了很大的兴趣并投入了大量的资金与精力去提高其效率以及组装电池的更好方法。尤其是在之后的6年中,Gr?tzel教授的小组得到美国国家再生能源实验室(NREL)的证明将其电池效率提高至10%。染料敏化太阳能电池一般是由纳米晶氧化物半导体做成的薄膜电极,染料敏化剂,电解液,对电机以及透明导电衬底组成。具有代表性的就是将二氧化钛薄膜作为电池阳极,铂电极作为对电极,然后加入溶于有机溶剂的I3?/I?溶液作为电解液,这样就组成了一个具有三明治结构的DSSC。由于具有廉价,市场资源充足,无毒,生物相适性,并且可以大规模用在保健品以及绘画颜料上,TiO2是作为DSSC阳电极材料的最佳选择。但是二氧化钛也有很大的光催化性质,有可能分解染料,因而有出现了很多关于其它材料的报道。 以前的对工作电极材料的研究都只是针对二元氧化物,比如TiO2,ZnO,SnO2,Nb2O5和In2O3。相对而言,多元氧化物很少有人研究过。据我们所知仅仅的报道只有SrTiO3和最近的Zn2SnO4。与二元氧化物相比,多元氧化物的材料具有更自由的条件去调节材料的化学和物理性质,接着通过这种对其性能的改变而寻找到最适合作为电池工作阳极材料。本文通过利用不同方法制备BaSnO3颗粒并测试其形貌和光学性质,研究了不同制备方法对物质的性质的影响。通过表面光电压和将其作为工作电极组装成染料敏化太阳能电池,研究了不同制备方法的BaSnO3颗粒性质之间的差异和电池不同效率之间的关系,并得到了1.1%的光电转化效率。主要作了以下有意义的工作: 1.分别使用共沉淀,水热和固相三种方法制备出颗粒大小在0.1-1.1μm范围内的BaSnO3颗粒,分别利用X射线衍射,扫描电子显微镜,比表面积仪,拉曼光谱研究其结构与形貌情况,并研究了其敏化前后的表面光电压特性曲线。其结果显示共沉淀法制备的BaSnO3样品具有最好的光电效应并且与N719具有最好的相互作用有可能做成敏化太阳能电池。 2.分别以三个不同方法制备的BaSnO3样品为原料,加入水、分散剂后进行研磨,把所得的浆料涂敷在导电玻璃上成膜,550 oC热处理30 min后,在N719染料的乙醇溶液(5×10-5 M)中浸泡24 h,得到BaSnO3/染料电极。用夹子把BaSnO3/染料电极和镀Pt的对电极夹紧,在两者之间滴加电解液,即完成染料敏化太阳能电池的制作。并使用CHI660电化学工作站测试电池的光电转化性能。得到1.1%的光电转化效率。 3.通过改进后的水热法制备出具有菱形十二面体结构的BaSnO3颗粒,并利用X射线衍射,扫描电子显微镜,,拉曼光谱,红外光谱研究其结构与形貌情况。其结果当温度上升至240 oC时得到所需结构,其颗粒大小也由240 oC时的10μm长大到270 oC时的15μm。当温度上升到280 oC时,颗粒大小突然降至4μm。探测各个温度所得样品时的紫外可见吸收和表面光电压性质,我们发现控制BaSnO3颗粒的大小可以改变其表面光电压性质。 【关键词】：BaSnO_3 N719 染料敏化电池 电流密度 水热反应 菱形十二面体 表面光电压谱
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 染料敏化电池的历史发展及研究现状11-14
• 1.1.1 太阳能电池的种类11-12
• 1.1.2 太阳光谱12-13
• 1.1.3 I –V 曲线13-14
• 1.2 染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理14-16
• 1.2.1 结构14-15
• 1.2.2 工作原理15-16
• 1.3 工作电极半导体材料和染料敏化剂16-19
• 1.4 氧化还原电解质19-21
• 1.4.1 液态电解质19-20
• 1.4.2 准固态态电解质20-21
• 1.4.3 固态电解质21
• 1.5 本论文的研究内容21-22
• 1.6 本论文的研究意义22-24
• 参考文献24-27
• 第2章 染料敏化太阳能电池的制备及表征27-37
• 2.1 染料敏化太阳能电池的制备27-29
• 2.1.1 薄膜电极的制备27-28
• 2.1.2 铂电极的制备28-29
• 2.1.3 电池的组装29
• 2.2 染料敏化太阳能电池的表征29-34
• 2.2.1 半导体材料的表征和分析29-32
• 2.2.2 半导体薄膜的表征和分析32-34
• 2.2.3 太阳能电池光电化学测量34
• 2.3 本章小结34-36
• 参考文献36-37
• 第3章 不同方法制备BaSnO_3纳米颗粒的表面光电压性质研究37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 实验和测试37-38
• 3.2.1 样品的制备37-38
• 3.2.2 样品测试38
• 3.3 结果和讨论38-46
• 3.3.1 结构和形貌38-40
• 3.3.2 拉曼谱分析40-41
• 3.3.3 紫外-可见吸收光谱41-42
• 3.3.4 热重-差热分析42-43
• 3.3.5 表面光电压分析43-45
• 3.3.6 光催化性能的研究45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 参考文献47-49
• 第4章 BaSnO_3为工作电极的敏化太阳能电池49-63
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验和测试50-51
• 4.2.1 敏化样品的制备50
• 4.2.2 电池的组装50
• 4.2.3 样品测试50-51
• 4.3 结果和讨论51-58
• 4.3.1 薄膜表面形貌的表征51
• 4.3.2 拉曼谱分析51-52
• 4.3.3 电池的性能52-53
• 4.3.4 紫外-可见吸收光谱53-56
• 4.3.5 表面光电压谱56-58
• 4.4 本章小结58-60
• 参考文献60-63
• 第5章 菱形十二面体BaSnO_3的制备以及其光学性质的研究63-77
• 5.1 引言63-64
• 5.2 实验和测试64-65
• 5.2.1 样品的制备64
• 5.2.2 样品测试64-65
• 5.3 结果和讨论65-72
• 5.3.1 结构和形貌65-67
• 5.3.2 拉曼光谱67-68
• 5.3.3 红外光谱68
• 5.3.4 紫外－可见吸收光谱68-70
• 5.3.5 PL 谱的分析70-71
• 5.3.6 表面光电压谱的分析71
• 5.3.7 光催化性能的研究71-72
• 5.4 本章小结72-73
• 参考文献73-77
• 硕士其间发表的论文77-79
• 致谢79

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