本文關鍵詞：基于ZnO納米棒的敏化太陽電池光陽極的制備及光電性能研究

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【摘要】：隨著能源短缺問題的日益嚴重,太陽能作為一種可再生的清潔能源得到研究者們的廣泛關注。而太陽電池是一種將太陽能直接轉化為電能的光伏器件,包括硅基太陽電池,薄膜太陽電池以及敏化太陽電池等。近年來,和硅基太陽電池相比,敏化太陽電池[包括染料敏化太陽電池(DSSCs)以及量子點敏化太陽電池(QDSSCs)]由于生產(chǎn)成本低廉,制備工藝簡單等從而得到廣泛的研究。敏化太陽電池主要由光陽極,電解液和對電極三部分組成,其中光陽極不僅是電子傳輸載體,也是光敏化劑的吸收載體,因而成為影響太陽電池光電轉化效率的重要因素。本文從增加電極對光的吸收以及加快電子傳輸,減少電子復合等方面入手,首先,在ZnO納米棒(ZnO NRs)的基礎上,探究了貴金屬Ag納米顆粒(Ag NPs)含量對電池光電性能的影響;另外,對比單獨TiO_2納米顆粒(TiO_2 NPs)太陽電池,研究了不同含量嵌入式生長的ZnO NRs對TiO_2 NPs/ZnO NRs復合結構薄膜基礎上的太陽電池性能影響,同時,在TiO_2 NPs結構的基礎上,研究了不同ZnO NRs散射層厚度對電池性能的影響,具體結果如下:1.采用水熱法在FTO上生長尺寸均一的ZnO NRs,隨后以AgNO3溶液為前驅(qū)體,采用紫外光輔助還原法制備了不同Ag含量的ZnO NRs/Ag NPs復合結構光陽極薄膜,最后將其進行CdS量子點敏化以及N719染料敏化,探究Ag含量對復合結構光陽極的光吸收性能以及電子傳輸性能的影響。結果表明,電池效率隨著Ag含量的增多呈現(xiàn)出了先增大后減小的趨勢,在AgNO3為1.0 mM時達到最大,分別為2.63%和2.96%。當硝酸銀濃度不超過1.0 mM時,一方面Ag的加入可以提高薄膜的比表面積,從而增加敏化劑的吸附量,另一方面Ag具有表面等離子體共振效應(SPR),可以增強其周圍電場強度,從而增加敏化劑對光的吸收,最終提高電池的光捕獲效率,另外,Ag/Zn O界面形成肖特基能壘,有利于電子-空穴的快速分離,減少電子復合,提高電池的電子收集效率。然而,Ag含量過多時,一方面部分Ag團聚在一起,破壞Ag/ZnO結構的完整性,另一方面部分Ag被氧化成Ag+,成為電子-空穴復合中心,限制了電子的有效傳輸。在以上研究的基礎上,以旋涂法制備了不同TiO_2 NPs含量的ZnO NRs/Ag NPs/TiO_2 NPs光陽極薄膜,制備DSSCs,電池效率進一步增加,最高達到4.09%。2.采用刮板法制備了混合了不同ZnO含量的ZnO NPs/TiO_2 NPs薄膜,隨后以薄膜中的ZnO NPs為籽晶,隨后采用水熱法生長ZnO NRs,得到ZnO NRs/TiO_2 NPs復合結構薄膜,平均厚度約為13μm。最后將其進行CdS量子點敏化以及N719染料敏化,探究ZnO NRs含量對電池的光散射性能以及電子傳輸性能等的影響。結果表明,隨著ZnO NRs在復合結構中含量的增多,電池的光電轉換效率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,在ZnO NRs含量為6wt%時達到最大,這是因為ZnO NRs的加入增加了薄膜的光散射性能,提高了電池的光捕獲效率,同時,ZnO NRs的加入為電子傳輸提供直接通道,有利于電子收集效率的提高。然而,ZnO NRs的加入同時也減小了薄膜的表面積,降低了敏化劑的吸附量,光捕獲效率降低。因而,綜合光散射性能,電子傳輸性能以及敏化劑的吸附量,電池效率在ZnO籽晶含量為6 wt%時電池效率達到最優(yōu)為3.95%和6.41%,比單獨TiO_2電池效率增加了41.6%和18.9%。在以上研究基礎上,為了進一步研究ZnO NRs光散射性能,電子傳輸性能對電池性能的影響,制備了平均厚度約為27μm的ZnO NRs/TiO_2 NPs的復合結構以及單獨TiO_2NPs的DSSCs。結果表明,雖然N719吸附量減少了,由于ZnO NRs優(yōu)異的光散射性能以及電子傳輸性能,最終獲得電池效率為7.13%,比同厚度Ti O2 NPs的效率提高了34.3%。3.采用刮板法制備了TiO_2 NPs薄膜,然后采用旋涂法在TiO_2 NPs薄膜上生長ZnO晶種層,之后采用水熱法生長ZnO NRs,通過不同水熱反應時間,得到不同ZnO NRs散射層厚度的TiO_2 NPs/ZnONRs復合結構薄膜,并對其進行N719染料敏化,探究ZnO NRs厚度對復合結構薄膜的光散射性能以及光捕獲效率的影響。結果表明,隨著ZnO NRs厚度的增加,薄膜的光散射增加,N719吸附量增加,光捕獲效率增強,最終使得DSSCs的光電轉化效率提高至4.85%,比單獨TiO_2電池的效率增加了64.4%。
【關鍵詞】：ZnO NRs Ag NPs TiO_2 NPs 敏化太陽電池
【學位授予單位】：浙江理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ132.41;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-34
• 1.1 太陽電池研究背景11
• 1.2 基于ZnO的DSSCs的研究現(xiàn)狀11-19
• 1.2.1 DSSCs的發(fā)展歷史12
• 1.2.2 DSSCs的組成結構12-17
• 1.2.3 DSSCs的工作原理以及影響因素17-18
• 1.2.4 DSSCs的性能表征18-19
• 1.2.5 基于ZnO的DSSCs的研究進展和發(fā)展趨勢19
• 1.3 基于ZnO的QDSSCs研究現(xiàn)狀19-26
• 1.3.1 量子點及其特性19-20
• 1.3.2 量子點的制備20-21
• 1.3.3 基于ZnO的QDSSCs的研究進展和發(fā)展趨勢21-26
• 1.4 本文選題的目的意義及主要內(nèi)容26-27
• 參考文獻27-34
• 第二章 基于ZnO NRs/Ag NPs的敏化太陽電池的性能研究34-59
• 2.1 引言34-35
• 2.2 實驗部分35-38
• 2.2.1 實驗試劑35-36
• 2.2.2 實驗方法36-37
• 2.2.3 實驗器材和表征儀器37-38
• 2.3 基于ZnO NRs/Ag NPs的敏化太陽電池的實驗結果與討論38-48
• 2.3.1 XRD分析38-39
• 2.3.2 SEM, EDS與TEM分析39-41
• 2.3.3 反射與吸收光譜分析41-44
• 2.3.4 IPCE以及J-V分析44-47
• 2.3.5 EIS分析47-48
• 2.4 基于ZnO NRs/Ag NPs/TiO_2 NPs的DSSCs的實驗結果與討論48-53
• 2.4.1 XRD分析49-50
• 2.4.2 SEM分析50
• 2.4.3 反射，透射以及吸收光譜分析50-52
• 2.4.4 IPCE以及J-V分析52-53
• 2.5 本章小結53-55
• 參考文獻55-59
• 第三章 ZnO NRs/TiO_2NPs復合結構薄膜的制備及性能研究59-77
• 3.1 引言59-60
• 3.2 實驗部分60-63
• 3.2.1 實驗試劑60-61
• 3.2.2 實驗方法61-62
• 3.2.3 實驗器材和表征儀器62-63
• 3.3 基于ZnO NRs/TiO_2NPs的敏化太陽電池的結果與討論63-69
• 3.3.1 XRD分析63
• 3.3.2 SEM分析63-65
• 3.3.3 反射和吸收光譜分析65-67
• 3.3.4 IPCE以及J-V分析67-68
• 3.3.5 EIS分析68-69
• 3.4 基于超厚ZnO NRs/TiO_2NPs的DSSCs的結果與討論69-72
• 3.4.1 SEM分析70
• 3.4.2 反射和吸收光譜分析70-71
• 3.4.3 IPCE以及J-V分析71
• 3.4.4 EIS分析71-72
• 3.5 本章小結72-74
• 參考文獻74-77
• 第四章 TiO_2 NPs/ZnO NRs復合結構薄膜的制備及性能研究77-90
• 4.1 引言77-78
• 4.2 實驗部分78-79
• 4.2.1 實驗試劑78-79
• 4.2.2 實驗方法79
• 4.3 實驗結果與討論79-85
• 4.3.1 XRD分析79-80
• 4.3.2 SEM分析80-81
• 4.3.3 反射，透射和吸收光譜分析81-83
• 4.3.4 IPCE以及J-V分析83-85
• 4.3.5 EIS分析85
• 4.4 本章小結85-87
• 參考文獻87-90
• 第五章 總結90-92
• 攻讀學位期間主要研究成果92-93
• 致謝93

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