ZnO/TiO_2基染料敏化太阳能电池光阳极结构设计与研究

【摘要】：随着环境问题和能源危机的急剧加重,人们对清洁能源的关注越来越多。太阳能是一种储量丰富的清洁能源,合理的开发和利用太阳能将会大大地改善人们的生活。目前使用最多的太阳能电池是硅基太阳能电池。虽然这种电池具有较高的光电转换效率,但是其制备工艺复杂、价格昂贵。作为太阳能电池的一种,染料敏化太阳能电池具有廉价、稳定、高效、容易制作等优点,因此具有非常广阔的发展前景。为了能够进一步地提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率,世界各地的科学家们都做出了很大的努力。染料敏化太阳能电池的光阳极结构对其光电转换效率有很大影响。纳米技术的发展为纳米材料的结构设计打开了一扇大门。有目的改变纳米材料的结构是一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的重要手段。光阳极结构的比表面积、电子传输性能以及光散射性能等因素与电池的光电转换效率有着很大的关系。合理的设计电极结构,可以使电池具有优秀的光电转换性能。本论文,旨在用有效、简单的方法,设计并开发出具有不同特点的电极结构来提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。本文实现了在FTO导电基底上超长ZnO纳米线阵列、核壳结构以及基于ZnO/TiO2材料为基础的复合结构电极的设计与制备,并探讨了不同光阳极结构的可控合成、相关性质及其对电池性能影响,充分展示了光阳极结构设计的重要性,为合成新型电极结构提供了实验和理论依据。研究内容主要包括以下几个方面：(1)一维超长ZnO纳米线的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用利用简单的水热方法,实现了在FTO导电基底上合成大面积超长ZnO纳米线阵列。探究了氨水浓度、锌盐种类以及更换反应溶液等因素对纳米线阵列的形貌影响。通过改变实验条件,得到了不同长度的纳米线阵列。值得强调的是,实验中仅通过更新一次反应溶液,就得到了24μm的ZnO纳米线阵列。研究了不同长度ZnO纳米线阵列作为光阳极,染料敏化太阳能电池的光电转换性能。实验结果表明,纳米线的长度对染料敏化太阳能电池光电转换效率有着非常重要的影响。随着纳米线阵列长度的增加,电池的光电转换效率逐步提升。(2) ZnO@TiO2核壳结构纳米线阵列的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用基于上面ZnO纳米线阵列的研究,以不同长度ZnO纳米线为前驱体,以溶解在乙醇溶液中的钛酸丁酯为钛源,采取简单的“快速浸渍”办法,成功在FTO导电基底上制备ZnO@TiO2核壳结构。有效的解决了ZnO在酸性染料中不稳定的问题。将不同长度ZnO@TiO2核壳结构作为光阳极,应用到染料敏化太阳能电池上。结果表明,TiO2壳的包覆和纳米线的长度对提高电池的光电转换效率有非常重要的作用。特别是当阵列的长度达到14μm时,ZnO@TiO2核壳结构最高光电转换效率可达3.80%。这个值是相同长度ZnO纳米线阵列的2.6倍。(3) ZnO/TiO2复合双层结构薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用设计了取向TiO2纳米棒阵列与交错排布的ZnO纳米短棒的复合双层结构薄膜。通过简单的水热反应成功制备了TiO2纳米棒阵列。然后通过热蒸发的方法,在TiO2纳米棒阵列上层形成ZnO纳米短棒薄膜层,实现了ZnO/TiO2复合薄膜的制备。非常有趣的是,在热蒸发的过程中,相邻TiO2纳米棒之间的空间也被很好的利用,在TiO2纳米棒间嵌入了大量ZnO纳米颗粒。实验中以ZnO/TiO2复合双层结构薄膜为光阳极,组装成染料敏化太阳能电池。测试结果表明,TiO2纳米棒阵列与ZnO纳米短棒复合结构的光电转换效率可以达到4.36%。这个值明显的高于单纯ZnO纳米短棒薄膜的光电转换效率(3.10%)。复合结构光电转换效率提升归结于TiO2纳米棒与ZnO纳米短棒的协同作用。在复合结构中,顶层的ZnO纳米短棒提供了大的比表面积来吸附染料。底层的TiO2纳米棒不但作为直接的电子传输通道使得电子能快速转移,而且还具有阻挡层的作用,阻碍了电解液与导电玻璃的直接接触,减少了电子复合。(4) ZnO/ZnO复合结构薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用在ZnO/TiO2复合双层结构设计的基础上,对电极材料进行进一步改良,设计了ZnO/ZnO复合双层结构薄膜。ZnO/ZnO复合结构包括两部分：取向的ZnO纳米线阵列作为底层,以交错排布的ZnO纳米短棒为顶层。复合结构兼具大的比表面积,快速的电子转移能力,卓越的光散射性能等优点,非常适合应用为染料敏化太阳能电池的光阳极材料。以这种复合结构作为染料敏化太阳能电池的光阳极,经过测试,复合结构确实表现出出色的光电转换性能,其光电转换效率可以达到5.16%。这个值明显地高于同样长度的ZnO纳米线阵列(1.45%)和交错排布的ZnO纳米短棒薄膜(3.31%)的光电转换效率。实验结果充分表明,复合结构电极的设计在提高染料敏化太阳能电池光电转换效率上具有一定的优越性。(5)TiO2纳米棒与P25膜复合结构的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用为了能够优化染料敏化太阳能电池的光电转换效率,设计了一种新颖、有效的复合结构电极。复合结构由P25纳米颗粒薄膜和嵌插在P25膜内及表面的TiO2纳米短棒组成。P25膜内的TiO2纳米短棒像一张网一样连接着不同地方的P25颗粒。P25膜表面上,TiO2纳米短棒呈现阵列结构,在一定程度上可以增加电池的光捕获能力。实验中采用涂刮法和水热方法,在FTO导电基底上,实现了这种有趣的复合薄膜的制备。将P25/TiO2复合结构应用在染料敏化太阳能电池的光阳极上。研究发现,P25/TiO2复合结构具有非常优秀的光电转换性能。在AM1.5100mW/cm2的光强下,P25/TiO2复合结构电池的光电转换效率可以达到8.62%,远大于P25膜电池的光电转换效率(6.12%)。这部分工作充分说明了,合理的设计光阳极结构对提高电池光电转换效率的重要性。 【关键词】：纳米材料 纳米线阵列 核壳 复合结构 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-47
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太阳能电池的发展与现状13-18
• 1.3 染料敏化太阳能电池介绍18-24
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池性能参数介绍20-21
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的染料、电解质及对电极的研究概况21-24
• 1.4 应用于染料敏化太阳能电池光阳极上的纳米结构设计24-40
• 1.4.1 基于零维纳米颗粒半导体氧化物电极的设计25-27
• 1.4.2 基于一维纳米线/管半导体氧化物电极的设计27-32
• 1.4.3 基于半导体氧化物核壳结构电极的设计32-35
• 1.4.4 基于一维结构和纳米颗粒的复合结构电极的设计35-37
• 1.4.5 其它结构化电极的设计37-40
• 1.5 本论文研究的主要内容以及创新点40-42
• 参考文献42-47
• 第二章 超长ZnO纳米线的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用47-62
• 2.1 引言47-48
• 2.2 超长ZnO纳米线的制备与表征48-50
• 2.2.1 试剂与仪器48-49
• 2.2.2 实验方法49-50
• 2.2.3 电池组装50
• 2.3 实验结果讨论与分析50-57
• 2.4 超长ZnO纳米线在染料敏化太阳能电池中的应用57-58
• 2.5 本章小结58-60
• 参考文献60-62
• 第三章 ZnO@-TiO_2核壳结构纳米线阵列制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用62-76
• 3.1 引言62-63
• 3.2 实验部分63-65
• 3.2.1 试剂和仪器63
• 3.2.2 实验方法63-64
• 3.2.3 电池组装64-65
• 3.3 ZnO@-TiO_2核壳结构纳米线阵列的表征与分析65-69
• 3.4 ZnO@-TiO_2核壳结构纳米线阵列在染料敏化太阳能电池中的应用69-72
• 3.5 本章小结72-74
• 参考文献74-76
• 第四章 ZnO/TiO_2复合双层结构薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用76-93
• 4.1 引言76-78
• 4.2 实验部分78-80
• 4.2.1 试剂和仪器78
• 4.2.2 样品制备78-79
• 4.2.3 电池组装79-80
• 4.3 ZnO/TiO_2复合双层结构的表征与分析80-84
• 4.4 ZnO/TiO_2复合双层结构的光电转换性能的研究84-90
• 4.5 本章小结90-91
• 参考文献91-93
• 第五章 ZnO/ZnO复合双层结构薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用93-108
• 5.1 引言93-94
• 5.2 实验部分94-96
• 5.2.1 试剂与仪器94-95
• 5.2.2 样品制备95
• 5.2.3 电池组装95-96
• 5.3 ZnO/ZnO复合双层结构薄膜的表征96-100
• 5.4 ZnO/ZnO复合双层结构电极在染料敏化太阳能电池中的应用研究100-105
• 5.5 本章小结105-106
• 参考文献106-108
• 第六章 TiO_2纳米棒与P25复合结构薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用108-126
• 6.1 引言108-109
• 6.2 实验部分109-112
• 6.2.1 试剂材料与仪器109-110
• 6.2.2 实验方法110-111
• 6.2.3 电池组装与测试111-112
• 6.3 TiO_2纳米棒与P25复合结构薄膜的表征112-116
• 6.4 TiO_2纳米棒与P25复合结构薄膜光电转换性能的研究116-122
• 6.5 本章小结122-124
• 参考文献124-126
• 第七章 工作总结与展望126-129
• 7.1 总结126-127
• 7.2 展望127-129
• 攻读学位期间的科研情况129-131
• 致谢131

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