Al~(3+)摻雜對納米ZnO結(jié)構(gòu)及染料敏化太陽能電池性能影響研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池是一種新型的光電轉(zhuǎn)換太陽能電池,它制作工藝簡單、性能穩(wěn)定和成本低,具有很好的市場應(yīng)用前景。納米晶半導(dǎo)體光陽極作為DSSC的重要組成部分之一,主要起吸附染料和傳輸電子的作用,對DSSC的光電性能具有重要的影響。本文對DSSC的ZnO光電極進(jìn)行了研究。研究內(nèi)容包括：(1)采用化學(xué)浴沉積法在導(dǎo)電玻璃(FTO)上制備ZnO納米棒并將其應(yīng)用于DSSC中,主要研究ZnO納米棒的生長條件及Al3+摻雜改性種子層對所制備的ZnO納米棒和電池性能的影響； (2)采用多次重復(fù)浸漬種子層工藝,制備出ZnO納米棒和ZnO納米粒復(fù)合雜化結(jié)構(gòu)的光陽極,并應(yīng)用于DSSC中。(3)采用沉淀法制備A13+摻雜ZnO納米粒,采用超聲輔助沉淀法制備了A13+摻雜ZnO納米片,采用醇熱回流法制備Al3+摻雜ZnO納米球并應(yīng)用于DSSC中。采用SEM對ZnO種子層、ZnO納米棒以及ZnO粉體的形貌形貌進(jìn)行了表征,測試了不同光陽極薄膜組裝成DSSC的Ⅰ-Ⅴ曲線和EIS阻抗譜。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：(1)以二水合醋酸鋅為鋅源,以乙二醇甲醚和乙醇胺作為溶劑,在FTO上用提拉浸漬法制備ZnO種子層；然后通過化學(xué)浴沉積法在六水合硝酸鋅和六次甲基四胺水溶液中生長納米棒,并通過在種子層中摻入不同比例的A13_I,制備ZnO納米棒。當(dāng)種子層濃度為0.1 M且摻雜9at% Al3+,導(dǎo)電玻璃長邊垂直放置于生長液中,生長液濃度為0.04 M時,制備的ZnO納米棒長度為5μm, DSSC的光電性能最好,開路電壓0.40 V,短路電流5.64 mA/cm2,填充因子0.47,光電轉(zhuǎn)換效率為1.07%。(2)通過多次重復(fù)浸漬種子層工藝,制備出ZnO納米棒和ZnO納米粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極。當(dāng)ZnO種子層摻雜9at% Al3+,且經(jīng)過9次浸漬和生長之后,制備出了長度為15.2 μm的復(fù)合結(jié)構(gòu)ZnO納米棒和ZnO納米粒,其制備的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.36%,開路電壓0.66 V,短路電流5.78 mA/cm2,填充因子0.62。(3)通過沉淀法制備了Al3+摻雜ZnO納米粒,采用超聲輔助沉淀法制備了A13+摻雜ZnO納米片,通過醇熱回流法制備了A13+摻雜ZnO納米球。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,分別將三種形貌的納米粉體制備成光陽極薄膜并組裝成DSSC。沉淀法制備的6at% Al3+摻雜ZnO納米顆粒聚集體所制備的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.94%；超聲法制備的6at% Al3+摻雜ZnO納米片所制備的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.73%;醇熱法制備的6% atAl3+摻雜ZnO納米球所制備的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率只有1.54%,較沒有摻雜下降61.40%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 ZnO光陽極 Al~(3+)摻雜 復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極
【學(xué)位授予單位】：景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1;TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 引言8-9
• 2 文獻(xiàn)綜述9-29
• 2.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)9-12
• 2.1.1 納米晶半導(dǎo)體光陽極9-10
• 2.1.2 染料敏化劑10-11
• 2.1.3 電解質(zhì)11
• 2.1.4 對電極11-12
• 2.1.4.1 鉑對電極12
• 2.1.4.2 非Pt金屬對電極12
• 2.1.4.3 聚合物對電極12
• 2.1.4.4 碳材料對電極12
• 2.1.5 導(dǎo)電基底12
• 2.2 DSSC的工作原理12-14
• 2.3 DSSC的光電特性參數(shù)14-15
• 2.3.1 Ⅰ-Ⅴ曲線14-15
• 2.3.2 電化學(xué)阻抗譜(EIS)15
• 2.4 納米晶光陽極的研究現(xiàn)狀15-27
• 2.4.1 TiO_2納米晶光陽極15-18
• 2.4.1.1 TiO_2的晶體結(jié)構(gòu)分析15-16
• 2.4.1.2 TiO_2光陽極的摻雜改性研究16-18
• 2.4.2 ZnO納米晶光陽極18-25
• 2.4.2.1 ZnO的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)18-20
• 2.4.2.2 ZnO光陽極的摻雜改性研究20-25
• 2.4.3 不同形貌的ZnO光陽極的研究情況25-27
• 2.5 本論文的研究目標(biāo)和意義27-29
• 3 化學(xué)浴沉積法制備ZnO納米棒及電池性能研究29-41
• 3.1 實(shí)驗(yàn)原料29
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過程29-30
• 3.2.1 導(dǎo)電玻璃的清洗29-30
• 3.2.2 ZnO種子層的制備30
• 3.2.3 ZnO納米棒的制備30
• 3.2.4 對電極的制備30
• 3.2.5 DSSC的組裝30
• 3.3 表征30-31
• 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析31-39
• 3.4.1 導(dǎo)電玻璃放置方式對ZnO納米棒及電池性能的影響31-34
• 3.4.2 ZnO生長液濃度對ZnO納米棒及電池性能的影響34-36
• 3.4.3 Al~(3+)摻雜種子層對ZnO納米棒及電池性能的影響36-39
• 3.5 本章小結(jié)39-41
• 4 ZnO納米棒和納米粒復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽極制備及電池性能研究41-47
• 4.1 實(shí)驗(yàn)部分41
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析41-46
• 4.2.1 ZnO種子層浸漬生長次數(shù)對ZnO納米棒形貌的影響41-44
• 4.2.2 ZnO種子層浸漬生長次數(shù)對電池性能的影響44-46
• 4.5 本章小結(jié)46-47
• 5 Al~(3+)摻雜ZnO納米粉的制備及其電池性能的研究47-56
• 5.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備47
• 5.2 實(shí)驗(yàn)過程47-49
• 5.2.1 沉淀法制備ZnO納米顆粒47-48
• 5.2.2 超聲輔助沉淀法制備Al~(3+)摻雜ZnO納米片48
• 5.2.3 醇熱回流法制備Al~(3+)摻雜ZnO納米球48-49
• 5.2.4 漿料的制備49
• 5.2.5 DSSC的制備與組裝49
• 5.3 測試與表征49
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析49-55
• 5.4.1 Al~(3+)摻雜對沉淀法制備ZnO納米粒及其DSSC光電性能影響49-50
• 5.4.2 Al~(3+)摻雜對超聲輔助沉淀法制備ZnO納米片及DSSC性能影響50-51
• 5.4.3 Al~(3+)摻雜醇熱回流法制備ZnO納米球及DSSC性能的影響51-55
• 5.5 本章小結(jié)55-56
• 6 結(jié)論56-57
• 創(chuàng)新點(diǎn)57-58
• 不足與展望58-59
• 致謝59-60
• 參考文獻(xiàn)60-66
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況66

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