基于ZnO薄膜染料敏化太陽能電池的制備及光電性能研究

【摘要】：隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,能源危機(jī)已經(jīng)變成了人類面臨的共同問題,大量化石燃料的日漸枯竭和燃燒造成的環(huán)境污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類的生存和發(fā)展。在這種情況下,新型太陽能電池的研究越來越受到人們的關(guān)注。自1991年以來,染料敏化太陽能電池因其制備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、無毒無污染等優(yōu)良性能,已經(jīng)成為當(dāng)今研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。高度取向的ZnO納米棒陣列薄膜具有原料來源豐富、比表面積大、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),是一種理想的光電極材料,并成為當(dāng)今新能源材料與器件研究中新的熱點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中,我們利用水熱法和電化學(xué)沉積法制備了高度c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜。并對(duì)ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了分析研究。同時(shí)制備了N719染料敏化太陽能電池、CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池以及共敏化太陽能電池,研究了它們的光電轉(zhuǎn)換性能。研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：(1)利用水熱法和電化學(xué)沉積法制備ZnO納米棒陣列薄膜,研究了不同工藝參數(shù)對(duì)ZnO薄膜生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明,我們通過兩種方法都能得到分布均勻、結(jié)晶良好、形狀規(guī)則、端頭呈六邊形的ZnO納米棒陣列薄膜。但是水熱法制備的ZnO納米棒陣列長(zhǎng)徑比更大、均勻性更好、沿c軸的取向生長(zhǎng)更為明顯。(2)采用連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法制備了CdS量子點(diǎn)敏化的ZnO納米棒陣列薄膜電極,通過X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、紫外可見分光光度計(jì)等來研究了ZnO/CdS雙層膜復(fù)合電極的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)；使用太陽能電池測(cè)試系統(tǒng)研究了ZnO形貌、不同CdS沉積次數(shù)以及不同共敏化時(shí)間對(duì)染料敏化太陽能電池的光電性能影響。結(jié)果顯示,CdS量子點(diǎn)為立方相結(jié)構(gòu),且完全覆蓋在納米ZnO納米棒陣列的表面。此外,隨著CdS沉積次數(shù)的增加,納米ZnO薄膜電極的光譜響應(yīng)范圍從紫外區(qū)擴(kuò)展到了可見光區(qū),組裝的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也隨之增大,當(dāng)CdS沉積次數(shù)為9次或者10次時(shí),太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大。這主要是因?yàn)镃dS量子點(diǎn)的引入提高了納米ZnO電極的光譜響應(yīng),減少了電子與空穴復(fù)合的幾率,加速了電子的轉(zhuǎn)移和傳輸,改善了太陽能電池的性能。另外當(dāng)CdS量子點(diǎn)與N719染料的共敏化時(shí)間為18h時(shí),染料敏化太陽能電池能獲取更高的光電轉(zhuǎn)換效率和子效率。(3)采用一種簡(jiǎn)單的水熱法制備ZnO納米棒粉末,然后用傳統(tǒng)的粉末涂敷法制備ZnO薄膜,并以此組裝了不同類型的染料敏化太陽能電池進(jìn)行測(cè)試。并討論ZnO薄膜的形貌對(duì)太陽能電池光電性能的影響。結(jié)果表明,使用水熱法生長(zhǎng)的ZnO納米棒陣列薄膜組裝成為染料敏化太陽能電池具有最好的光伏性能。 【關(guān)鍵詞】：太陽能電池 氧化鋅 N719染料 硫化鎘量子點(diǎn) 電流密度—電壓曲線
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ132.41;TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-26
• 1.1 引言10
• 1.2 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理10-12
• 1.3 染料敏化太陽能電池的性能表征參數(shù)12-13
• 1.4 納米氧化鋅半導(dǎo)體薄膜的制備方法13-16
• 1.4.1 磁控濺射法14
• 1.4.2 脈沖激光沉積法14
• 1.4.3 分子束外延法14-15
• 1.4.4 噴霧熱分解法15
• 1.4.5 溶膠凝膠法15
• 1.4.6 電化學(xué)沉積法15
• 1.4.7 水熱合成法15-16
• 1.4.8 粉末涂敷法16
• 1.5 染料敏化劑16-18
• 1.5.1 有機(jī)染料敏化劑16-17
• 1.5.2 無機(jī)染料敏化劑17-18
• 1.5.3 多種染料共敏化18
• 1.6 電解質(zhì)溶液18-19
• 1.7 對(duì)電極19
• 1.8 本論文的選題目的和研究?jī)?nèi)容19-21
• 1.8.1 選題目的19-20
• 1.8.2 研究?jī)?nèi)容20-21
• 參考文獻(xiàn)21-26
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分26-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備26-27
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料26-27
• 2.1.2 儀器與設(shè)備27
• 2.2 實(shí)驗(yàn)步驟27-30
• 2.2.1 水熱法制備氧化鋅薄膜27-28
• 2.2.2 電化學(xué)沉積法制備氧化鋅薄膜28-29
• 2.2.3 涂布法制備氧化鋅薄膜29
• 2.2.4 硫化鎘量子點(diǎn)敏化納米氧化鋅雙層膜電極的制備29
• 2.2.5 染料敏化太陽能電池的組裝29-30
• 2.2.6 硫化鎘量子點(diǎn)與染料N719共敏化太陽能電池的組裝30
• 2.3 測(cè)試設(shè)備與表征30-32
• 第三章 水熱法制備氧化鋅納米棒陣列薄膜及在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用32-52
• 3.1 氧化鋅納米棒陣列薄膜形貌與結(jié)構(gòu)的研究32-38
• 3.1.1 水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化鋅納米棒陣列薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的影響32-33
• 3.1.2 水熱反應(yīng)溫度對(duì)氧化鋅納米棒陣列薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的影響33-35
• 3.1.3 鋅離子生長(zhǎng)液濃度對(duì)氧化鋅納米棒陣列薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的影響35-37
• 3.1.4 氧化鋅納米棒陣列薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理研究37-38
• 3.2 氧化鋅/硫化鎘雙層膜電極的形貌和結(jié)構(gòu)分析38-40
• 3.3 染料敏化太陽能電池的光電性能分析40-49
• 3.3.1 不同濃度的鋅離子生長(zhǎng)液制備的氧化鋅納米棒陣列薄膜對(duì)染料敏化太陽能電池光電性能的影響40-41
• 3.3.2 不同硫化鎘沉積次數(shù)對(duì)染料敏化太陽能電池光電性能的影響41-43
• 3.3.3 不同電解質(zhì)溶液對(duì)染料敏化太陽能電池光電性能的影響43-44
• 3.3.4 多種染料共敏化對(duì)染料敏化太陽能電池光電性能的影響44-46
• 3.3.5 不同氧化鋅形貌對(duì)染料敏化太陽能電池光電性能的影響46-48
• 3.3.6 不同光陽極組裝的染料敏化太陽能電池的量子效率測(cè)試48-49
• 3.4 本章小結(jié)49-51
• 參考文獻(xiàn)51-52
• 第四章 電化學(xué)沉積法制備氧化鋅納米棒陣列薄膜及在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用52-71
• 4.1 氧化鋅薄膜的生長(zhǎng)過程分析52-56
• 4.1.1 循環(huán)伏安分析52-53
• 4.1.2 沉積電位的影響53-54
• 4.1.3 電解液濃度的影響54-55
• 4.1.4 沉積溫度的影響55-56
• 4.1.5 氧化鋅納米棒陣列薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理研究56
• 4.2 氧化鋅納米棒陣列薄膜形貌與結(jié)構(gòu)的研究56-62
• 4.2.1 沉積電位對(duì)氧化鋅納米棒陣列薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的影響56-58
• 4.2.2 電解液濃度對(duì)氧化鋅納米棒陣列薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的影響58-60
• 4.2.3 沉積溫度對(duì)氧化鋅納米棒陣列薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的影響60-62
• 4.3 氧化鋅/硫化鎘雙層膜電極的形貌和結(jié)構(gòu)分析62-63
• 4.4 染料敏化太陽能電池的光電性能測(cè)試分析63-68
• 4.4.1 不同硫化鎘沉積次數(shù)對(duì)染料敏化太陽能電池光電性能的影響64-65
• 4.4.2 多種染料共敏化對(duì)染料敏化太陽能電池光電性能的影響65-67
• 4.4.3 不同光陽極組裝的染料敏化太陽能電池的量子效率測(cè)試67-68
• 4.5 本章小結(jié)68-70
• 參考文獻(xiàn)70-71
• 致謝71

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