敏化太陽能電池光陽極和對電極的制備與研究

【摘要】：敏化太陽能電池作為一種新型的光伏電池,因其具有高效率,成本低廉且制作工藝簡單的優(yōu)點,從而日益受到人們的關(guān)注,成為目前研究的熱點。從敏化太陽能電池的工作機理來看,敏化劑(染料及量子點)與半導體薄膜的界面接觸、光陽極的結(jié)構(gòu)、對電極的催化還原性能等是影響其光電轉(zhuǎn)換效率的主要原因。本論文主要圍繞敏化太陽能電池的光陽極和對電極制備進行研究,改善光陽極內(nèi)部的界而接觸、降低器件制作的成本,主要研究內(nèi)容如下： 一、共沉淀方法制備光致發(fā)光材料Y3Al5O12:Ce顆粒,并作為散光層材料應(yīng)用于染料敏化太陽能電池。通過在納米晶TiO2(P25)透過層表面增加Y3Al5O12:Ce散光層,可以增加波長400-450nm范圍內(nèi)的光吸收,提高電極的光散射和反射本領(lǐng)；同時Y3Al5012:Ce熒光粉顆粒作為下轉(zhuǎn)換材料可以吸收短波段的光,發(fā)射長波段的光,增加光陽極對光的捕獲能力。在一個標準太陽光(100mWcm-2, AM1.5G)下,使用P25/Y3Al5O12:Ce電極的染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達到7.91%,比純的P25電極(6.97%)的提高了13.5%。 二、微波法合成石墨烯和石墨烯/金納米顆粒復(fù)合物,并利用電泳法將它們沉積石墨片基底上形成薄膜作為對電極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池。 (1)電泳沉積制備石墨烯/碳納米管復(fù)合薄膜作為對電極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池,并比較不同碳納米管摻雜量對電池性能的影響。通過碳納米管的摻雜,碳管在復(fù)合電極中像橋梁一樣連接在石墨烯之間,填充了石墨烯之間的空隙,形成了一種獨特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高了復(fù)合電極的導電性,從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。當碳納米管在復(fù)合物中含量是60%時,在一個太陽光照射(AM1.5G,100mWcm-2)下,電池達到最高的轉(zhuǎn)換效率(6.17%),比純石墨烯(3.63%)和純碳管(5.48%)的分別提高了70%和13%。 (2)電泳沉積制備石墨烯/金納米顆粒復(fù)合薄膜作為對電極應(yīng)用于CdS量子點敏化太陽能電池。與純的石墨烯電極相比,高催化性的金納米顆粒和高比表面積的石墨烯復(fù)合形成多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高了電極的電化學催化性和導電性。在一個太陽光照射(AM1.5G,100mW cm-2)下,基于石墨烯/金納米顆粒復(fù)合對電極的CdS量子點敏化電池的轉(zhuǎn)換效率為1.36%,比純石墨烯(0.98%)的提高了39%。同時這個轉(zhuǎn)換效率,也高于傳統(tǒng)的Pt和Au對電極的轉(zhuǎn)換效率(1.21%和1.32%)。 三、微波輔助化學浴沉積制備TiO2/CdS, TiO2/CdSe和TiO2/CdS/CdSe電極并應(yīng)用于量子點敏化太陽能電池。與傳統(tǒng)的量子點敏化太陽能電池的光陽極制備方法相比較,通過微波的輻射作用,可以在量子點與TiO2之間產(chǎn)生一個好的連接,從而形成優(yōu)越的界面接觸,有利于電子傳輸,抑制電子復(fù)合,從而得到高的轉(zhuǎn)換效率。分別使用微波輔助化學浴沉積法一步制備了TiO2/CdS、TiO2/CdSe和TiO2/CdS/CdSe電極應(yīng)用于量子點敏化太陽能電池,在一個太陽光照射(AM1.5G,100mW cm-2)下,得到1.18%、1.75%和3.06%的轉(zhuǎn)換效率。與單個的TiO2/CdS和TiO2/CdSe電極相比,TiO2/CdS/CdSe可以形成一種階梯式能帶結(jié)構(gòu)和好的界面接觸,利于電子的傳輸和收集,抑制復(fù)合電流,因此有效提高了光電轉(zhuǎn)換效率。 四、超聲霧化熱解法制備ZnO界面層和ZnO/CdS電極,應(yīng)用于量子點敏化太陽能電池。 (1)使用超聲霧化熱解法在TiO2薄膜上制備ZnO的界面層,改善TiO2/CdS之間的界面接觸,同時增加了量子點的吸附,提高了電極的光散射和反射。在一個標準太陽光(100mWcm-2, AM1.5G)下,使用TiO2/ZnO/CdS電極的量子點敏化太陽能電池得到1.56%的轉(zhuǎn)換效率,比純的TiO2/CdS電極(0.99%)的提高了57%。 (2)使用超聲霧化熱解法制備ZnO薄膜和CdS敏化劑應(yīng)用于量子點敏化太陽能電池。使用超聲霧化熱解法制備的ZnO/CdS電極,在FTO/ZnO/CdS之間可以產(chǎn)生個好的接觸界面,有利于電子的傳輸,抑制電子的復(fù)合,從而得到高的轉(zhuǎn)換效率。在一個太陽光照射(AM1.5G,100mWcm-2)下,得到轉(zhuǎn)換效率達到1.54%。 【關(guān)鍵詞】：敏化太陽能電池 光陽極 對電極 電泳沉積 微波輔助化學浴沉積 超聲霧化熱解法
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 論文摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 目錄11-13
• 第1章 緒論13-26
• 1.1 引言13
• 1.2 太陽能電池的發(fā)展史13-16
• 1.3 敏化太陽能電池16-18
• 1.4 敏化太陽能電池主要性能參數(shù)18-20
• 1.5 敏化太陽能電池的測試20-21
• 1.6 本論文的設(shè)計思想和研究內(nèi)容21-22
• 參考文獻22-26
• 第2章 光致發(fā)光材料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用26-40
• 2.1 引言26
• 2.2 實驗過程26-29
• 2.3 結(jié)果與討論29-33
• 2.4 本章小結(jié)33-35
• 參考文獻35-40
• 第3章 電泳沉積制備石墨烯及其復(fù)合物薄膜在敏化太陽能電池中的應(yīng)用40-71
• 3.1 引言40
• 3.2 石墨烯/碳納米管復(fù)合物薄膜對電極用于染料敏化太陽能電池40-52
• 3.3 石墨烯/金納米顆粒復(fù)合物對電極用于CdS量子點敏化太陽能電池52-59
• 3.4 本章小結(jié)59-61
• 參考文獻61-71
• 第4章 微波輔助化學沉積法制備量子點敏化的TiO_2電極用于量子點敏化太陽能電池71-109
• 4.1 引言71
• 4.2 微波輔助化學沉積法制備CdS量子點敏化的TiO_2電極用于量子點敏化太陽能電池71-86
• 4.3 微波輔助化學沉積法制備CdSe量子點敏化的TiO_2電極用于量子點敏化太陽能電池86-94
• 4.4 微波輔助化學沉積法制備CdS/CdSe量子點共敏化的TiO_2電極用于量子點敏化太陽能電池94-102
• 4.5 本章小結(jié)102-103
• 參考文獻103-109
• 第5章 超聲霧化熱解法制備ZnO界面層和ZnO/CdS電極用于量子點敏化太陽電池109-129
• 5.1 引言109
• 5.2 超聲霧化熱解法制備ZnO界面層對CdS量子點敏化太陽能電池的影響109-116
• 5.3 超聲霧化熱解制備ZnO/CdS電極用于量子點敏化太陽能電池116-123
• 5.4 本章小結(jié)123-124
• 參考文獻124-129
• 第6章 全文總結(jié)與展望129-132
• 6.1 總結(jié)129-131
• 6.2 展望131-132
• 攻讀博士期間的主要研究成果132-135
• 致謝135

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