本文選題：染料敏化太陽能電池　切入點：鈣鈦礦太陽能電池　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文

【摘要】：染料敏化太陽能電池(DSSC)和鈣鈦礦太陽能電池(PSC)由于獨特的優(yōu)勢已經成為最有前途的太陽能電池。在這兩種電池系統(tǒng)中,TiO_2起到重要的載體支撐及電子傳輸作用。TiO_2基太陽能電池主要存在三個問題:電池的光捕獲能力差,導致電池的吸收光譜與太陽光譜不匹配;帶隙較寬造成光生電子注入效率低;電荷收集效率低因而限制了電池效率提升。針對以上問題,本論文引入氫化處理的方法,從自身結構改性TiO_2光陽極材料出發(fā),制備了控壓/控溫的氫化處理二氧化鈦(H-TiO_2)納米材料、氫化氟/氮氟改性TiO_2復合材料、氫化納米球/納米線等材料,并將其制備成光陽極,用于染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池。首先,從制備方法研究氫化二氧化鈦,將其用于DSSC并研究其光電化學性質,并探索其效率提升的機理。研究不同壓力對制備H-TiO_2性能的影響,控壓條件下制備H-TiO_2納米粉體,制備出的粉體具有不同團聚度以及結晶程度。通過紫外可見吸收光譜、莫特-肖特基、電子順磁共振、電化學阻抗等方法研究光電性能。實驗結果證明常壓制備出的H-TiO_2納米粉體具有更強的可見光吸收能力,并且施主密度明顯提高,納米材料的平帶電壓正移,從整體上改善電池性能,電池的效率提高了17%。其次,通過控溫氫化制備一系列氫化二氧化鈦,受不同溫度影響,氫化二氧化鈦的光電性能出現階梯性變化。實驗結果表明:300°C下氫化處理制備的H-TiO_2所組裝的DSSC具有最高的短路電流密度18.92 mA cm-2以及最高的光電轉化效率7.76%。氫化處理調節(jié)了二氧化鈦的電子結構,使其平帶電位正移,氧空位的引入在導帶下方插入雜質能級,提高了電子注入的驅動力,電池的短路電流密度明顯提高;同時加速了電池內部電子的傳輸,將載流子密度提高至3.53×1021 cm-3,從整體上改善染料敏化太陽能電池的光電性能,光電轉化效率提高了28%。再次,引入非金屬元素改性,利用其與氫化處理的協(xié)同增效作用,從整個光譜范圍提高對光的利用,同時研究單級和多級結構電池中H-TiO_2的作用。制備了氫化氟摻雜TiO_2納米粉體,氫化處理可以增強氟摻雜二氧化鈦對可見光的捕獲,提高施主密度,電子注入驅動力增大,光生電子傳輸情況得到改善,因而電池的性能得到提高。結果表明:氫化處理氟摻雜二氧化鈦制備的電池和空白電池相比,光電流提高48%,電池效率提高了36%。制備氫化NF-TiO_2光陽極材料,拓寬非金屬改性TiO_2在可見近紅外光的吸收范圍;荷花狀形貌的粉體作為光散射層,提高電池對太陽光的捕獲率;非金屬元素之間的協(xié)同增效作用改善電池內部電子的傳輸情況,最終提高了電池的性能。實驗結果表明:對比氫化處理NF-Ti O_2制備的染料敏化太陽能電池和未經過氫化處理的粉體制備染料敏化太陽能電池,光電流提高了40%,電池效率提升了38%。最后,為了優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的介孔層,通過形貌調控制備H-Ti O_2納米材料,提高TiO_2納米材料對可見近紅外光的利用:制備了氫化二氧化鈦納米球(H-TiO_2)和納米棒(H-TNR),并將其應用于PSC的介孔層設計。采用紫外-可見光譜和莫特-肖特基分析方法研究TiO_2的光吸收能力、禁帶寬度變化以及氫化處理后施主密度的變化對半導體性質的影響。特別是利用表面光電壓譜(SPS)和瞬態(tài)光伏(TPV)的方法,對氫化處理后的電子傳輸行為和壽命進行了深入探討。實驗結果表明:H-TiO_2中適度存在的氧空位能淬滅鈣鈦礦層電子,電子和空穴的分離更徹底,實現有效的電子提取與轉移;同時抑制電子的反向復合,提高電池的光電轉換效率。電池的光電轉化效率可達到13.22%,與空白電池相比,H-TiO_2納米球材料組成的PSC將電池的光電轉換效率提高了22%。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ134.11;TM914.4

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本文編號：1668021