近红外光响应的柔性纤维状光伏电池：设计、组装以及光电性能测试

【摘要】：柔性纤维状光伏电池具有质量轻、生产制造成本低,可编织性等优点,近年来吸引人们的关注。但是,目前国内外对纤维状光伏电池的研究还处于起步阶段,仍存有一些问题,例如不能有效吸收近红外光、对太阳光谱的利用率低等。 本论文设计出一种近红外光响应的柔性纤维状光伏电池,将稀土上转换发光材料引入纤维状光伏电池中,不仅能提高其对近红外光的吸收能力,同时可以拓展纤维电池在生物电源领域中的应用。该电池的组装分为以下四个步骤。 第一步：首先采用镱铒双掺作为稀土激活离子、碲酸盐玻璃作为基质材料,拉制出具有上转换发光的玻璃纤维作为纤维状光伏电池的衬底材料,该种玻璃纤维具有很好的柔性,可以大幅度弯曲,在980nm激光器的激发下可发出肉眼可见的绿色光。随后以这种上转换发光玻璃纤维用作近红外光响应的纤维状光伏电池的衬底。 第二步：通过射频磁控溅射的旋转镀膜技术在上转换发光玻璃纤维上制备了导电层ITO,分析了工艺中工作压强、溅射功率、氧分压以及溅射时间对薄膜透过率以及电阻率的影响,确定最优的溅射工艺参数。所制备的ITO薄膜经SEM表征得知,薄膜致密,颗粒均一度高,尺寸在30nm左右,薄膜厚度均匀,在300nm左右。通过四探针仪测试得知,其电阻率为1.2×10-4Ωm。 第三步：采用两步法在上述上转换发光的导电玻璃纤维上有序生长ZnO纳米棒阵列薄膜,首先利用磁控溅射设备溅射一层ZnO纳米晶薄膜作为晶种层,然后采用化学溶液法在晶种层上生长ZnO纳米棒阵列,经过SEM表征得知,晶种层的制备可以约束ZnO纳米棒的生长方向,对于高取向的纳米棒阵列的制备有直接关系,同时也探讨了化学溶液法的生长时间对纳米棒阵列生长的影响。随后以这种长有ZnO纳米棒阵列的玻璃纤维作为本论文所设计的近红外光响应的纤维状光伏电池的光学阳极。 第四步：将所制备的光学阳极浸泡于N719染料中进行敏化,以超细铂丝(直径0.025mm)作为对电极,将主电极与对电极相互接触穿入透明毛细管内(直径lmm),并利用毛细现象注电解质,最终完成论文所设计的近红外光响应的纤维状光伏电池的组装。 实验所组装的光伏器件在AM1.5,100mW/cm2的标准太阳模拟器下进行光电性能测试,得到开路电压(Voc)为343mV,短路电流密度(Jsc)为0.01mA/cm2,,填充因子(FF)为28%。暗室下在功率为1W的980nm激光器的照射下有最大输出功率0.007μW。 本实验所组装的光伏电池作为实物模型证明了所设计的纤维状光伏电池在原理上具有可行性,显示出其在生物电源领域广阔的应用前景。由于其光电转换效率较低,在后续的工作中可系统化地完善从衬底到各层薄膜的制备技术,提高光伏电池的效率以及各项性能,满足其实际应用价值。 【关键词】：上转换发光 近红外响应 纤维状光伏电池 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 学位论文修改说明12-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 引言13-14
• 1.1.1 太阳能电池研究背景13
• 1.1.2 太阳能电池研究现状13-14
• 1.2 柔性纤维状太阳能电池14-22
• 1.2.1 光纤基柔性纤维状太阳能电池14-16
• 1.2.2 双线结构柔性纤维状太阳能电池16-20
• 1.2.3 单线结构柔性纤维状太阳能电池20-22
• 1.3 研究意义与研究内容22-24
• 1.3.1 研究意义22
• 1.3.2 研究内容22-24
• 第二章 上转换发光玻璃纤维的制备工艺研究24-33
• 2.1 引言24-25
• 2.2 原料及仪器25-26
• 2.2.1 实验原料25
• 2.2.2 实验仪器25-26
• 2.3 实验方法26
• 2.3.1 上转换玻璃配方的确定及玻璃粉料称量26
• 2.3.2 玻璃粉料的熔融以及玻璃样品的制备26
• 2.4 表征方法26-27
• 2.4.1 结构分析26-27
• 2.4.2 热性能分析27
• 2.4.3 光谱性能分析27
• 2.5 结果与讨论27-32
• 2.5.1 基质材料的选择27-31
• 2.5.1.1 基质材料对上转换发光强度的影响27-28
• 2.5.1.2 基质材料的热力学性能研究28-31
• 2.5.2 柔性玻璃纤维拉制工艺31-32
• 2.6 结论32-33
• 第三章 磁控溅射制备导电层的工艺研究33-45
• 3.1 引言33-34
• 3.2 原料及仪器34
• 3.2.1 实验原料34
• 3.2.2 实验仪器34
• 3.3 实验方法34-36
• 3.3.1 样品衬底的预处理34-35
• 3.3.2 磁控溅射镀膜35-36
• 3.4 表征方法36
• 3.4.1 薄膜透过率测试36
• 3.4.2 薄膜导电性能测试36
• 3.4.3 薄膜形貌表征36
• 3.5 结果与讨论36-43
• 3.5.1 工作压强对ITO薄膜特性的影响36-38
• 3.5.2 溅射功率对ITO薄膜特性的影响38-39
• 3.5.3 氧分压对ITO薄膜特性的影响39-41
• 3.5.4 溅射时间对ITO薄膜特性的影响41-42
• 3.5.5 玻璃纤维旋转溅射导电层42-43
• 3.6 结论43-45
• 第四章 ZnO纳米棒阵列生长工艺研究45-54
• 4.1 引言45
• 4.2 原料及仪器45-47
• 4.2.1 实验原料46
• 4.2.2 实验仪器46-47
• 4.3 试验方法47-48
• 4.3.1 样品衬底的预处理47
• 4.3.2 磁控溅射制备ZnO晶种面47
• 4.3.3 ZnO纳米棒阵列的制备47-48
• 4.4 表征方法48
• 4.4.1 薄膜形貌表征48
• 4.4.2 薄膜元素分析48
• 4.4.3 薄膜吸收光谱48
• 4.5 结果与讨论48-53
• 4.5.1 ZnO纳米棒生长机理48-49
• 4.5.2 ZnO纳米棒阵列薄膜的元素分析49-50
• 4.5.3 晶种面对于ZnO纳米棒阵列生长的影响50-51
• 4.5.4 生长时间对ZnO纳米棒阵列生长的影响51-53
• 4.5.5 ZnO纳米棒薄膜电极吸收光谱分析53
• 4.6 结论53-54
• 第五章 纤维状染料敏化光伏电池的组装及光电性能测试54-61
• 5.1 引言54-55
• 5.2 原料及仪器55
• 5.2.1 实验原料55
• 5.2.2 实验仪器55
• 5.3 实验方法55-57
• 5.3.1 光阳极敏化55-56
• 5.3.2 对电极组装56-57
• 5.3.3 电解液注入57
• 5.4 表征方法57
• 5.4.1 光电性能测试57
• 5.5 结果与讨论57-60
• 5.5.1 标准太阳模拟器下的光电性能测试58-59
• 5.5.2 980nm激光器下的光电性能测试59-60
• 5.6 结论60-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 6.1 总结61-62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-69
• 攻读硕士学位期间获得的研究成果69-71
• 致谢71

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