以氧化鋅為基礎(chǔ)的納米結(jié)構(gòu)的膜以及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：染料敏化太陽能電池作為一種光電轉(zhuǎn)化的器件,因?yàn)樗牡统杀靖咝逝c傳統(tǒng)的P-N結(jié)型電池相比越來具有競爭性。ZnO因?yàn)樗淖吭降奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)和與TiO2相似的光電性質(zhì),在染料敏化太陽能電池的應(yīng)用上近年來備受關(guān)注。通過不同的方法,ZnO能合成不同的形貌。本論文主要研究了直接在FTO玻璃上面合成ZnO的納米結(jié)構(gòu),并將其作為染料敏化太陽能電池的光陽極。合成的ZnO薄膜分別用XRD, FESEM, TEM等手段進(jìn)行了表征。對(duì)ZnO納米結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的染料敏化太陽能電池進(jìn)行了光電性質(zhì)的測試。 有很多方法可以的合成ZnO,用它來用作光陽極。在文章的第二部分,ZnO薄膜通過在較低溫度下熱分解醋酸鋅直接生長在種有ZnO種子層的FTO導(dǎo)電玻璃上。這種方法非常簡單,便宜而且容易控制,合成了不同形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)薄膜。希望通過改變光陽極的結(jié)構(gòu)和形貌,來提高染料敏化太陽能電池的效率。這種方法合成的薄膜具有大的比表面積用來被染料吸附。此外,發(fā)現(xiàn)一些合成條件例如溫度決定了納米結(jié)構(gòu)的形貌。ZnO納米棒,納米顆粒分別在245度和350度的情況下分解醋酸鋅6個(gè)小時(shí)的情況下得到。合成的ZnO納米結(jié)構(gòu)的薄膜被用作染料敏化太陽能電池的光陽極。以ZnO納米顆粒為基礎(chǔ)的染料敏化太陽能電池的效率達(dá)到了1.56%,它的短路光電流和開路電壓分別為5.12mA/cm2和0.46V(AM1.5100mWcm-2)。通過研究EIS,光電轉(zhuǎn)化效率的提高主要是因?yàn)殡娮訌?fù)合的減少和電子壽命的延長。 此外,ZnO納米結(jié)構(gòu)薄膜將ZnO納米棒粉體直接通過涂刮法涂到FT0玻璃表面上。通過把ZnO納米棒的粉末和乙醇以及少量的醋酸混合研磨,得到ZnO的漿料。這種ZnO納米棒薄膜燃料敏化太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率只有0.77%(AM1.5100mWcm-2),開路電壓和短路電流分別為0.42V和3.61mA/cm2。 為了得到更好性能的ZnO基燃料敏化太陽電池,將氧化鋅納米棒和納米顆粒的混合物做成漿料,用涂刮法涂到了FTO導(dǎo)電玻璃上。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)把氧化鋅的納米棒和納米顆?；旌显谝黄鹂梢栽黾悠淙剂厦艋栯姵氐男阅?其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.90%。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),在ZnO納米棒/納米顆粒復(fù)合薄膜表面包覆一層氧化鈦可以進(jìn)一步提高電極的光電轉(zhuǎn)化效率,達(dá)到了2.26%。 【關(guān)鍵詞】：ZnO 納米棒 納米顆粒 熱蒸發(fā) 染料敏化太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.4;TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• Chapter 1: Introduction11-46
• 1.1 Zinc oxide (ZnO)11-15
• 1.1.1 Properties of ZnO11-13
• 1.1.2 Applications of ZnO13-14
• 1.1.3 Synthesis techniques of ZnO14-15
• 1.2 Conventional p-n junction solar cell15-19
• 1.3 Dye-sensitized solar cell (DSSCs)19-34
• 1.3.1 Historical background of DSSCs19-20
• 1.3.2 Description of the DSSCs20-22
• 1.3.3 Operation principle of the DSSC22-23
• 1.3.4 DSSC performances23-32
• 1.3.5 Advantage and weakness of DSSCs32-33
• 1.3.6 Path to the commercialization of DSSCs33-34
• 1.4 Aim and scope of the thesis34-36
• References36-46
• Chapter 2: Synthesis of ZnO nanostructure films by thermal evaporation approach and theirapplication in dye-sensitized solar cells46-68
• 2.1. Introduction46-48
• 2.2. Experimental details48-51
• 2.2.1. Synthesis of ZnO nanostructure films48-49
• 2.2.2. Characterization of ZnO nanostructure films49
• 2.2.3. Fabrication of DSSCs based on ZnO nanostructure films49-50
• 2.2.4. Characterization of DSSCs based on ZnO nanostructure films50-51
• 2.3. Results and discussion51-62
• 2.3.1. Structure and morphology51-56
• 2.3.2. ZnO nanostructure DSSCs56-62
• 2.4. Conclusions62-63
• References63-68
• Chapter 3: Dye-sensitized solar cell based on ZnO nanorods film fabricated from binder free-paste68-83
• 3.1. Introduction68-69
• 3.2. Experimental details69-72
• 3.2.1. Materials69-70
• 3.2.2. Synthesis of ZnO nanorods powder70
• 3.2.3. Fabrication of ZnO nanorods film70-71
• 3.2.4. DSSC assembly and Characterization71-72
• 3.3. Results and discussion72-77
• 3.3.1. Structure and morphology72-75
• 3.3.2. ZnO nanorods-based DSSC75-77
• 3.4. Conclusions77-78
• References78-83
• Chapter 4: Preparation of ZnO (nanoparticles/nanorods)@TiO_2 core-shell structured composites:application to dye-sensitized solar cells83-96
• 4.1. Introduction83-84
• 4.2. Experimental details84-87
• 4.2.1. Materials84
• 4.2.2. Synthesis of ZnO aggregates84-85
• 4.2.3. Fabrication of ZnO (nanoparticles/nanorods) film85
• 4.2.4. Fabrication of TiO_2-coated ZnO (nanoparticles/nanorods) film85-86
• 4.2.5. DSSC assembly86
• 4.2.6. Analysis techniques86-87
• 4.3. Results and discussion87-93
• 4.3.1. Structure and morphology87-90
• 4.3.2. Performance of DSSC made with ZnO film and DSSC made with ZnO@TiO_2 composite film90-93
• 4.4. Conclusions93-94
• References94-96
• Chapter 5: General conclusion and outlook96-99
• 5.1. General conclusion96-97
• 5.2. Outlook97-99
• Publications99-100
• ACKNOWLEDGEMENTS100

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