稀土材料应用于染料敏化太阳能电池的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池与传统硅基太阳能电池相比具有许多明显的优势，例如：原材料丰富、成本低、制备工艺简单，可制备柔性器件等。但是由于染料敏化太阳能电池的光谱响应范围窄，与太阳光谱不匹配，使得染料敏化太阳能电池的效率依然比较低，这极大限制了其产业化进程。作为电池核心组成部分的染料光敏化剂，吸收光谱的长波限一般都不超过750nm，而太阳光谱中有55%-60%分布于800nm-2400nm的近红外区域，所以要想从根本上提高染料敏化太阳能电池的效率就必须拓展电池的光谱响应范围。利用上转换发光材料将近红外光转换为可见光以及开发新的红外染料是拓展光谱响应范围的两种有效方法。目前，公认的效率最高的稀土掺杂上转换发光材料当属β-NaYF4:Yb3+,Er3+，但是其4f-4f跃迁窄带发光还是相对较弱，所以研究具有超强上转换发射的新型发光材料是非常必要的。染料敏化太阳能电池中染料分子必须要与被吸附的纳米半导体相匹配才能实现有效的电荷分离，所以研究新的半导体材料具有重要意义，并且对于以后新的红外染料的开发具有潜在的应用价值。针对以上两点，本论文从寻找适合于染料敏化太阳能电池的新型超强上转换发光材料和新半导体材料出发，研究了以下主要内容： (1)系统研究了Yb2O3材料的超强白光上转换发射，利用980nm激光作为激发光，对比研究了Yb2O3和β-NaYF4:Yb3+,Er3+在不同激发光功率密度激发下发射光谱的变化，发现在高功率密度激发下Yb2O3表现出超强的上转换白光发射，其发射光积分强度比在同条件下β-NaYF4:Yb3+,Er3+的要强近一个数量级。通过对样品温度的研究，发现Yb2O3的白光发射的来源并不是黑体辐射，为此提出了新的发光机理模型，认为Yb2O3的白光发射来源于激发态Yb3+-Yb3+电子与价带中空穴的复合。最后分别将Yb2O3和β-NaYF4:Yb3+,Er3+作为光转换层应用于染料敏化太阳能电池，研究了两种器件在980nm激光激发下的I-V特性，发现随着激光功率密度的增加，基于Yb2O3的电池效率的增加速率要高于NaYF4器件，激光功率密度为4.737W/mm2时，Yb2O3器件效率约为NaYF4器件2.4倍。 (2)使用静电纺丝的方法制备了In2O3纳米管，通过稀土离子的掺杂成功的对In2O3纳米管的带隙进行了调节，并将其作为阳极半导体材料制备了In2O3基染料敏化太阳能电池，发现稀土离子掺杂能够使染料敏化太阳能电池的效率得到明显提高，通过对器件电化学阻抗谱的测试，发现电池效率提高的主要原因是稀土离子的掺杂抑制了In2O3中传输的电子与激发态染料以及电解质之间的复合。最终发现，掺杂Er3+离子的电池效率达到1.447%，与纯的In2O3电池相比提高了近3倍，是目前In2O3基染料敏化太阳能电池的最高效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 上转换 稀土掺杂 In2O3 静电纺丝 纳米管
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 太阳能电池概述10-17
• 1.2 染料敏化太阳能电池简介17-22
• 1.3 目前染料敏化太阳能电池存在的主要问题22-24
• 1.4 本论文的研究内容及意义24-26
• 第二章 染料敏化太阳能电池的性能表征26-34
• 2.1 伏安特性（I-V）曲线表征26-28
• 2.2 暗电流的测试28
• 2.3 量子效率28-30
• 2.4 电化学阻抗谱（EIS）30-32
• 2.5 调制光电流/光电压谱（IMPS/IMVS）32-34
• 第三章 具有超强白光发射的 Yb_2O_3的上转换发光机理研究34-44
• 3.1 引言34-35
• 3.2 材料与设备35
• 3.3 空气中 Yb_2O_3的发射光谱随激光功率密度的变化关系35-37
• 3.4 发射光谱积分强度与激发光功率密度的函数关系37-39
• 3.5 样品温度与激发光功率密度的依赖关系39-40
• 3.6 Yb_2O_3超强白光发射的机理分析40-42
• 3.7 小结42-44
• 第四章 Yb_2O_3作为光转换层应用于染料敏化太阳能电池的研究44-56
• 4.1 引言44-46
• 4.2 染料敏化太阳能电池的制备46-48
• 4.3 标准太阳光下无上转换材料电池的 I-V 特性测试48-49
• 4.4 在 980nm 激光激发下两种器件的 I-V 特性对比测试49-54
• 4.5 小结54-56
• 第五章 稀土掺杂 In_2O_3纳米管的制备及其对 In_2O_3基染料敏化太阳能电池性能提高的研究56-74
• 5.1 引言56-57
• 5.2 材料与设备57-58
• 5.3 In_2O_3:RE~(3+)纳米管的合成与电池的制备过程58-59
• 5.3.1 静电纺丝法制备 In_2O_3:RE~(3+)纳米管58-59
• 5.3.2 In_2O_3基染料敏化太阳能电池的制备59
• 5.4 In_2O_3:RE~(3+)纳米管的形貌与结构表征59-63
• 5.5 稀土掺杂对 In_2O_3基染料敏化太阳能电池性能的提高63-72
• 5.5.1 稀土掺杂对电池 I-V 特性的影响63-66
• 5.5.2 稀土掺杂对电池的电化学阻抗谱(EIS)影响的研究66-70
• 5.5.3 稀土掺杂对提高电池开路电压的分析70-71
• 5.5.4 稀土掺杂对电池量子效率的提高71-72
• 5.6 小结72-74
• 第六章 结论与展望74-76
• 参考文献76-98
• 作者简介及在学期间取得的科研成果98-100
• 致谢100

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