單基板全固態(tài)介觀太陽能電池研究

【摘要】：隨著社會科技的發(fā)展,能源對人類生存的意義逐步擴大,以至于直接決定著我們未來的生活質(zhì)量。在傳統(tǒng)化石能源開始出現(xiàn)枯竭跡象的二十一世紀,太陽能以其來源廣泛巨大,環(huán)境友好且可持續(xù)利用等特點越來越受到各界的關(guān)注。在這其中有一種將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的光伏器件正以驚人的速度發(fā)展起來,與傳統(tǒng)的PN結(jié)太陽能電池不同的是,這種器件依靠三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)來進行光子的捕獲且電子和空穴分離之后分別在不同的相中傳遞,這些特點有利于獲得更高的光子收集效率同時減小電子空穴復(fù)合幾率,從而獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。而這種用來收集光子的三維多孔材料的孔徑一般在2-50nm之間,屬于介孔范圍,因此這種光伏器件被稱為介觀太陽能電池。采用介觀結(jié)構(gòu)進行光子捕獲的概念最早是在1991年被瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的Gratzel和O'Regan在染料敏化太陽能電池(DSSC)中使用。憑借其低廉的成本與簡易的工藝,與傳統(tǒng)PN結(jié)電池相比具有相當強競爭力。然而,在全固態(tài)介觀太陽能電池的研究中,大部分器件都是采用貴金屬(如金、銀等)作為對電極,這一點已成為其商業(yè)化道路上的最大障礙。 本論文中的研究從全固態(tài)DSSC電池起,發(fā)展了一套以廉價的碳電極代替貴金屬電極的太陽能電池器件的制作方法,并對這種結(jié)構(gòu)中的碳對電極層、二氧化鋯間隔層進行了分析與優(yōu)化,通過路易斯酸P型摻雜使得空穴傳輸材料/碳對電極界面的電荷傳輸與注入得到提升；之后將類似的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到新興的二氧化鈦/鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)介觀太陽能電池上,并采用有序介孔碳取代了之前的炭黑,也獲得了顯著的效果。本論文具體的內(nèi)容為： 對基于碳對電極的全固態(tài)DSSC的結(jié)構(gòu)及制作進行了分析,并比較了這種多孔接觸的對電極與基于普通平面接觸對電極對光伏器件,證明了大的接觸面積對器件的性能影響,然后研究了不同的碳膜厚度對太陽能電池中的材料填充、電荷注入、電子空穴復(fù)合以及光電性能參數(shù)的影響,最后采用不同配比的炭黑石墨制作了碳電極,并研究了其不同的電學(xué)性能及孔隙特征,分析了它們對太陽能電池光電性能的影響。 對基于碳對電極的全固態(tài)DSSC中的間隔層的用途和意義做出了研究,觀察了其對spiro-OmetaD填充的影響,從二氧化鋯層的膜厚、顆粒大小的角度對全固態(tài)DSSC進行優(yōu)化,并分析它們對太陽能電池內(nèi)部電荷傳輸復(fù)合的影響,使得二氧化鋯間隔層既能作為間隔層阻擋電子空穴的復(fù)合又能作為反射層反射更多的光子提高光的利用率。 在實現(xiàn)了空穴傳輸材料和對電極的大面積接觸的基礎(chǔ)上,采用了路易斯酸四氯化錫添加到空穴傳輸材料spiro-OmetaD中作為P型摻雜劑,使得spiro-OmetaD薄膜的電導(dǎo)率明顯上升,而且XPS測試表明spiro-OmetaD分子的HOMO能級向費米能級發(fā)生了移動,從而可以獲得更好的電荷傳輸效果；另外,紫外可見吸收光譜和時間分辨的熒光光譜說明了四氯化錫與spiro-OmetaD可形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物,且比之前使用的LiTFSI具有更高的摻雜效率；而采用四氯化錫摻雜之后的全固態(tài)DSSC的填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率也都得到了明顯提升。 將具有獨特形貌的有序介孔碳材料應(yīng)用到基于鈣鈦礦材料的異質(zhì)結(jié)介觀太陽能電池,將介孔和介觀的概念從光陽極擴展到了對電極之中。所采用的有序介孔碳材料是通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝過程合成,相比于其他方法要簡單易行且成本低廉無毒害物質(zhì)產(chǎn)生,可形成有大量均一有序的介孔和內(nèi)部聯(lián)通的框架結(jié)構(gòu)。相比于無序的炭黑顆粒,含有這種有序介孔碳材料的二氧化鈦／鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)電池獲得了更低的電荷傳輸電阻和更高光電轉(zhuǎn)換效率。 【關(guān)鍵詞】：全固態(tài) 染料敏化 碳對電極 P型摻雜 鈣鈦礦 介觀太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-22
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 介觀太陽能電池的優(yōu)勢13-15
• 1.3 介觀太陽能電池的基本原理15-18
• 1.4 介觀太陽能電池的基本參數(shù)18-22
• 2 介觀太陽能電池的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與未來22-45
• 2.1 液態(tài)染料敏化太陽能電池22-31
• 2.2 全固態(tài)染料敏化太陽能電池31-40
• 2.3 基于鈣鈦礦材料的異質(zhì)結(jié)太陽能電池40-43
• 2.4 本論文研究目的與思路43-45
• 3 全固態(tài)DSSC的碳對電極研究45-64
• 3.1 引言45-48
• 3.2 實驗部分48-51
• 3.3 平面接觸與多孔接觸51-54
• 3.4 碳膜厚度對全固態(tài)DSSC性能的影響54-58
• 3.5 石墨碳黑配比對全固態(tài)DSSC的性能影響58-62
• 3.6 本章小結(jié)62-64
• 4 基于碳對電極的全固態(tài)DSSC的間隔層研究64-82
• 4.1 引言64-66
• 4.2 實驗部分66-68
• 4.3 基于碳對電極的DSSC空穴傳輸材料的填充68-70
• 4.4 間隔層厚度對碳單基板全固態(tài)DSSC性能的影響70-73
• 4.5 二氧化鋯顆粒大小對DSSC性能影響73-80
• 4.6 本章小結(jié)80-82
• 5 對spiro-OmetaD的P型摻雜82-100
• 5.1 引言82-85
• 5.2 實驗部分85-87
• 5.3 四氯化錫摻雜的spiro-OmetaD紫外可見吸收光譜分析87-89
• 5.4 四氯化錫的摻雜對spiro-OmetaD薄膜電導(dǎo)率影響89-91
• 5.5 四氯化錫的摻雜spiro-OmetaD的瞬態(tài)熒光光譜分析91-93
• 5.6 四氯化錫摻雜的spiro-OmetaD的能級移動93-96
• 5.7 四氯化錫的摻雜對全固態(tài)DSSC光電性能的影響96-98
• 5.8 本章小結(jié)98-100
• 6 有序介孔碳在介觀太陽能電池中的應(yīng)用100-115
• 6.1 引言100-102
• 6.2 實驗部分102-104
• 6.3 有序介孔碳的材料表征104-107
• 6.4 含有序介孔碳的對電極的表征107-108
• 6.5 二氧化鈦/鈣鈦礦/碳電極結(jié)構(gòu)的太陽能電池光電性能表征108-111
• 6.6 二氧化鈦/鈣鈦礦/碳電極結(jié)構(gòu)的太陽能電池阻抗分析111-113
• 6.7 本章小結(jié)113-115
• 7 結(jié)論與展望115-119
• 7.1 全文研究內(nèi)容總結(jié)115-117
• 7.2 主要創(chuàng)新點117-118
• 7.3 研究展望118-119
• 致謝119-120
• 參考文獻120-137
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄137

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