本文關(guān)鍵詞：染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的研究

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【摘要】：隨著化石能源的日益枯竭及溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等問(wèn)題的日益嚴(yán)重,太陽(yáng)能的有效合理利用成為解決這些問(wèn)題的一種重要途徑之一,是一種發(fā)展趨勢(shì)。太陽(yáng)能電池能實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)化和污染副產(chǎn)品的情況下,把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。因此,太陽(yáng)能電池的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn),而且發(fā)展越來(lái)越快。 染料敏化太陽(yáng)能電池由于其價(jià)格便宜、工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、形狀多樣化等優(yōu)點(diǎn)而可能替代傳統(tǒng)的硅基電池。染料敏化太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)主要由五部分組成：導(dǎo)電基底,光陽(yáng)極,染料敏化劑,電解質(zhì),對(duì)電極等。導(dǎo)電基底決定了染料敏化太陽(yáng)能電形狀。在不同基底上合理的選擇和組建光陽(yáng)極,對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的性能極其關(guān)鍵。一般的,光陽(yáng)極的構(gòu)建需要考慮三方面的因素：光陽(yáng)極材料,電子傳輸通道,染料吸附等�；诖�,本課題做了一下幾方面的工作： (1)簡(jiǎn)單構(gòu)建長(zhǎng)程有序比表面積大的TiO2光陽(yáng)極。通過(guò)一步水熱反應(yīng),在多種金屬絲上原位合成銳鈦礦TiO2納米樹狀陣列,該結(jié)構(gòu)由TiO2納米線樹干和大量的短TiO2納米棒分支組成。其應(yīng)用于纖維染料敏化太陽(yáng)能的光陽(yáng)極,鈦絲基底的最高能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)6.32%；而鎢絲基底的效率3.24%,這是由于退火形成的WO3層增強(qiáng)了電荷復(fù)合。如果基底是氧化的鎳絲,能得到一種異形的纖維P-N異質(zhì)結(jié)。這種通用方法制備能實(shí)現(xiàn)在各種金屬絲上制備銳鈦礦TiO2樹狀納米陣列,該方法簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn),低成本,可能滿足多種光電應(yīng)用對(duì)基底的要求。 (2)簡(jiǎn)單制備ZnO光陽(yáng)極,并發(fā)現(xiàn)種子層對(duì)電池性能的影響。在鋅絲上一步合成ZnO納米分層結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的生成過(guò)程是反應(yīng)的初先沉積ZnO顆粒層,再以顆粒層為種子生成ZnO納米線陣列。生成的ZnO納米材料應(yīng)用于纖維染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極,0.5小時(shí)生成光陽(yáng)極的能量轉(zhuǎn)換效率為0.98%。但隨著ZnO光陽(yáng)極生成時(shí)間的延長(zhǎng)效率反而減小,這主要是ZnO顆粒種子層的影響。延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,ZnO納米顆粒更大,吸附染料量減��；但當(dāng)納米線吸附染料占主導(dǎo)時(shí),更長(zhǎng)納米線使電荷更容易復(fù)合。 (3)微波水熱合成SnO2復(fù)合微米球,該結(jié)構(gòu)由納米棒和顆粒團(tuán)簇而成。SnO2復(fù)合微米球應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極,經(jīng)TiO2修飾后能量轉(zhuǎn)化效率從1.40%提高到了4.15%,這是因?yàn)樾揎椇蠊怅?yáng)極的導(dǎo)帶更負(fù)抑制了電荷的復(fù)合。SnO2及其TiO2修飾后光陽(yáng)極應(yīng)用于的紫外光探測(cè)器,器件自驅(qū)動(dòng)的電流響應(yīng)成矩形方波信號(hào),而且響應(yīng)度極高。SnO2光陽(yáng)極經(jīng)TiO2修飾后,自驅(qū)動(dòng)紫外探測(cè)器響應(yīng)度從91提高到6229,響應(yīng)時(shí)間從0.15s加快到0.055s。 (4)半導(dǎo)體敏化太陽(yáng)能電池發(fā)源于染料敏化太陽(yáng)電池,以半導(dǎo)體敏化劑替代染料分子。半導(dǎo)體敏化劑對(duì)光陽(yáng)極的覆蓋率低是影響半導(dǎo)體敏化太陽(yáng)能電池性能的關(guān)鍵的問(wèn)題之一。通過(guò)離子交換,ZnO納米線陣列轉(zhuǎn)化為能級(jí)可調(diào)的ZnO/(CdS)1-x(ZnS)x核殼同軸納米線陣列結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體敏化劑緊密全覆蓋ZnO納米線,從而解決了覆蓋度低的問(wèn)題。CdS敏化太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率為2.1%。
【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 纖維 光陽(yáng)極 半導(dǎo)體敏化太陽(yáng)能電池
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-33
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的組成和工作原理14-15
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的性能指標(biāo)15-17
• 1.4 染料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展17-30
• 1.4.1 導(dǎo)電基底的研究進(jìn)展17-19
• 1.4.2 光陽(yáng)極的研究進(jìn)展19-27
• 1.4.2.1 TiO_2光陽(yáng)極20-23
• 1.4.2.2 ZnO光陽(yáng)極23-24
• 1.4.2.3 SnO_2光陽(yáng)極24-25
• 1.4.2.4 Nb_2O_5光陽(yáng)極25-26
• 1.4.2.5 Zn_2SnO_4光陽(yáng)極26
• 1.4.2.6 其他光陽(yáng)極26-27
• 1.4.3 染料光敏化劑的研究進(jìn)展27-28
• 1.4.4 電解質(zhì)的研究進(jìn)展28-29
• 1.4.5 對(duì)電極的研究進(jìn)展29-30
• 1.5 本工作的研究意義和主要內(nèi)容30-33
• 2 銳鈦礦TiO_2納米樹狀陣列可用于纖維染料敏化太陽(yáng)能電池33-48
• 2.1 研究背景33-34
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分34-36
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料34-35
• 2.2.2 金屬絲上沉積TiO_2種子層35
• 2.2.3 合成樹狀TiO_2納米陣列35
• 2.2.4 制作纖維狀染料敏化太陽(yáng)能電池35-36
• 2.3 測(cè)量和表征36
• 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析36-47
• 2.4.1 材料表征分析36-41
• 2.4.2 纖維染料敏化太陽(yáng)能電池光伏性能表征41-47
• 2.5 本章小結(jié)47-48
• 3 在鋅絲上原位合成ZnO分層納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用于纖維染料敏化太陽(yáng)能電池48-58
• 3.1 研究目的48-49
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分49-50
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑49
• 3.2.2 水熱合成ZnO分層納米結(jié)構(gòu)49
• 3.2.3 纖維染料敏化太陽(yáng)能電池的制備49-50
• 3.3 測(cè)量和表征50
• 3.4 結(jié)果和討論50-53
• 3.5 纖維染料敏化太陽(yáng)能電池的光伏特性53-57
• 3.6 本章小結(jié)57-58
• 4 TiO_2修飾SnO_2復(fù)合微球應(yīng)用于增強(qiáng)染料敏化太陽(yáng)能電池和自驅(qū)動(dòng)紫外探測(cè)器58-72
• 4.1 研究目的58-59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分59-60
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)材料59
• 4.2.2 微波水熱法制備SnO_259
• 4.2.3 制備SnO_2光陽(yáng)極59-60
• 4.2.4 TiO_2修飾SnO_2光陽(yáng)極60
• 4.2.5 染料敏化太陽(yáng)能電池及紫外光探測(cè)器的制備60
• 4.3 測(cè)量和表征60-61
• 4.4 結(jié)果和討論61-71
• 4.4.1 光陽(yáng)極材料表征結(jié)果61-64
• 4.4.2 染料敏化太陽(yáng)能電池性能分析64-69
• 4.4.3 自驅(qū)動(dòng)紫外光探測(cè)器表征69-71
• 4.5 本章小結(jié)71-72
• 5 能級(jí)可調(diào)ZnO/(CdS)_(1-x)(ZnS)_x同軸納米線陣列應(yīng)用于半導(dǎo)體敏化太陽(yáng)能電池72-84
• 5.1 研究目的72-73
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分73-74
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)材料73
• 5.2.2 ZnO種子層的制備73
• 5.2.3 ZnO納米線陣列的制備73
• 5.2.4 陽(yáng)離子交行制備ZnO/ZnS同軸納米線陣列73-74
• 5.2.5 陰離子交行制備ZnO/(CdS)_(1-x)(ZnS)_x同軸納米線陣列74
• 5.2.6 半導(dǎo)體敏化太陽(yáng)能電池的制備74
• 5.3 測(cè)量和表征74-75
• 5.4 材料分析結(jié)果75-82
• 5.5 半導(dǎo)體敏化太陽(yáng)電池的性能82-83
• 5.6 本章小結(jié)83-84
• 6 全文總結(jié)與展望84-87
• 6.1 本文的主要研究結(jié)果84-85
• 6.2 本文創(chuàng)新之處85
• 6.3 下一步的工作展望85-87
• 致謝87-88
• 參考文獻(xiàn)88-116
• 附錄 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表和待發(fā)表的論文目錄116-117
• 附錄3 攻讀傅士學(xué)位期間申請(qǐng)專利情況117

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：736000