ZnO/TiO_2復(fù)合基染料敏化太陽(yáng)能電池的制備與研究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC)由于成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、原材料豐富等受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。目前,DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率還遠(yuǎn)低于理論值,而作為DSSC的重要組成之一的光陽(yáng)極,其性能直接影響DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率,本文對(duì)ZnO/TiO2復(fù)合光陽(yáng)極DSSC進(jìn)行了研究。以尿素和硝酸鋅為原料,采用水熱法制備ZnO納米片自組裝微球；運(yùn)用水熱法和機(jī)械混合法制備ZnO/TiO2復(fù)合粉體；采用浸漬法制備ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)粉體,并將它們作為光陽(yáng)極材料應(yīng)用于DSSC中。采用XRD、SEM、TEM、XPS和EDS對(duì)ZnO/TiO2粉體和膜進(jìn)行了表征,測(cè)試了不同光陽(yáng)極薄膜組裝成DSSC的I-V曲線、IPCE曲線和EIS阻抗譜。主要結(jié)果如下：(1)當(dāng)尿素與硝酸鋅摩爾比為3：1時(shí),采用水熱法制備的ZnO微球直徑約為15～20μm,由厚度約為25 nm的片狀結(jié)構(gòu)組裝而成。將其通過(guò)先漩渦超聲再球磨的工藝制備漿料,采用刮刀法制備膜厚為34.33μm的光陽(yáng)極膜,所得電池的開(kāi)路電壓Voc、短路電流密度Jsc、填充因子FF,光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到0.65 V、 11.50 mA/cm2、0.63、4.82%,電子壽命可達(dá)到8 ms。(2)采用水熱法制備Ti02和ZnO/TiO2復(fù)合粉體,制備的TiO2為納米多級(jí)結(jié)構(gòu)微球,大小不均勻,粒徑大小主要分布在5-8μm,由15-20nm的Ti02顆粒組成；ZnO/TiO2粉體形貌隨著Zn2+和Ti4+摩爾比變化?；谠揟iO2微球的DSSC的短路電流密度Jsc為1.77 mA/cm2,光電裝換效率為0.9%；當(dāng)n(Zn2+):n(Ti4+)為1：1時(shí),ZnO/TiO2粉體制備的DSSC短路電流密度Jsc和光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大,分別為2.88 mA/cm2和1.26%,比純Ti02的轉(zhuǎn)換效率提高了40%。隨著比例的繼續(xù)增大,光電轉(zhuǎn)換效率降低。(3)采用醇熱法制備ZnO納米顆粒,粒徑為25-35nm。采用水熱法制備的Ti02粒徑為30-40 nm,基于該Ti02的光陽(yáng)極電池光電轉(zhuǎn)化率為7.95%,開(kāi)路電壓Voc為0.74V,短路電流密度Jsc為15.21 mA/cm2,填充因子FF為0.71；當(dāng)添加2 wt% ZnO時(shí),電池的電子壽命τn最大,可達(dá)到3.9 ms,電池的開(kāi)路電壓Voc、短路電流密度Jsc、填充因子FF、光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到0.76 V、16.21 mA/cm2、0.78、9.54%,比純Ti02的光電轉(zhuǎn)換效率提高了20%。(4)采用浸漬法將ZnO浸漬在鈦酸四丁酯的丁醇溶液中,在ZnO表面形成Ti02納米顆粒修飾層。當(dāng)鈦酸四丁酯的濃度為0.5 M時(shí),浸漬一次煅燒后得到ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)粉體,將其制備成光陽(yáng)極多孔薄膜,在0.5 mM以無(wú)水乙醇為溶劑的N719染料中浸漬2h制備的DSSC的短路電流密度Jsc和光電轉(zhuǎn)化效率Eff最大,分別為5.01 mA/cm2和2.77%,而基于純ZnO納米顆粒的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率(Eff)為1.87%,光電轉(zhuǎn)換效率提高了48%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 ZnO/TiO_2復(fù)合光陽(yáng)極 光電性能 核殼結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 引言9-10
• 2 文獻(xiàn)綜述10-23
• 2.1 太陽(yáng)能電池研究的歷史發(fā)展10
• 2.2 染料敏化太陽(yáng)能的研究現(xiàn)狀10-11
• 2.3 染料敏化太陽(yáng)能的結(jié)構(gòu)11-14
• 2.3.1 導(dǎo)電基底11-12
• 2.3.2 納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極12
• 2.3.3 染料敏化劑12-14
• 2.3.4 電解質(zhì)14
• 2.3.5 對(duì)電極14
• 2.4 染料敏化太陽(yáng)能電池工作原理14-16
• 2.5 DSSC的光電特性參數(shù)16-18
• 2.5.1 I-V曲線16-17
• 2.5.2 入射單色光子—電子轉(zhuǎn)化效率(IPCE)17
• 2.5.3 電化學(xué)阻抗譜(EIS)17-18
• 2.6 ZnO/TiO_2復(fù)合光陽(yáng)極薄膜的研究現(xiàn)狀18-21
• 2.6.1 ZnO的性質(zhì)18-19
• 2.6.2 復(fù)合光陽(yáng)極的研究現(xiàn)狀19-20
• 2.6.3 ZnO/TiO_2核殼結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極制備方法及研究現(xiàn)狀20-21
• 2.7 本論文的研究目標(biāo)和意義21-23
• 3 水熱法制備多級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO微球及其電池性能研究23-36
• 3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程23-25
• 3.1.1 ZnO微球的制備23
• 3.1.2 漿料的制備23-24
• 3.1.3 導(dǎo)電玻璃的清洗24
• 3.1.4 光陽(yáng)極薄膜的制備24
• 3.1.5 染料和電解質(zhì)的制備24
• 3.1.6 對(duì)電極的制備24
• 3.1.7 DSSC的組裝24-25
• 3.2 表征25-26
• 3.2.1 物相分析25
• 3.2.2 形貌分析25
• 3.2.3 X射線光電子能譜分析(XPS)25
• 3.2.4 能量色散顯微分析(EDS)25
• 3.2.5 I-V曲線測(cè)試25
• 3.2.6 IPCE測(cè)試25-26
• 3.2.7 電化學(xué)阻抗譜(EIS)26
• 3.2.8 膜厚測(cè)試26
• 3.2.9 紫外可見(jiàn)吸收性能測(cè)試26
• 3.2.10 染料吸附量測(cè)試26
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析26-35
• 3.3.1 尿素硝酸鋅摩爾比對(duì)電池性能的影響26-30
• 3.3.2 漿料制備工藝對(duì)電池性能的影響30-33
• 3.3.3 不同膜厚對(duì)電池性能的影響33-35
• 3.4 本章小結(jié)35-36
• 4 ZnO/TiO_2復(fù)合光陽(yáng)極的制備及電池性能研究36-51
• 4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程36-39
• 4.1.1 水熱法制備ZnO/TiO_2復(fù)合粉36-37
• 4.1.1.1 ZnO/TiO_2復(fù)合粉的制備36-37
• 4.1.1.2 ZnO/TiO_2復(fù)合粉體漿料的制備37
• 4.1.1.3 ZnO/TiO_2光陽(yáng)極膜的制備37
• 4.1.2 機(jī)械混合法制備ZnO/TiO_2復(fù)合粉37-39
• 4.1.2.1 TiO_2納米粉體的制備37-38
• 4.1.2.2 ZnO納米粉體的制備38
• 4.1.2.3 ZnO/TiO_2光陽(yáng)極膜的制備38-39
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析39-50
• 4.2.1 水熱法制備ZnO/TiO_2粉體39-45
• 4.2.1.1 ZnO/TiO_2復(fù)合粉體的物相分析39
• 4.2.1.2 ZnO/TiO_2復(fù)合粉體的形貌分析39-43
• 4.2.1.3 n(Zn~(2+))：n(Ti~(4+))對(duì)ZnO/TiO_2復(fù)合光陽(yáng)極光電轉(zhuǎn)換性能的影響43-45
• 4.2.2 機(jī)械混合法制備ZnO/TiO_2復(fù)合光陽(yáng)極薄膜45-50
• 4.2.2.1 ZnO、TiO_2納米粉體的物相及形貌分析45-46
• 4.2.2.2 ZnO/TiO_2復(fù)合光陽(yáng)極的電池性能46-50
• 4.3 本章小結(jié)50-51
• 5 ZnO/TiO_2殼核結(jié)構(gòu)的制備及電池性能研究51-62
• 5.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程51-52
• 5.1.1 醇熱法制備ZnO納米棒51
• 5.1.2 浸漬法制備ZnO/TiO_2核殼結(jié)構(gòu)粉體51
• 5.1.3 ZnO/TiO_2核殼結(jié)構(gòu)粉體光陽(yáng)極的制備51-52
• 5.1.4 染料的制備52
• 5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析52-61
• 5.2.1 ZnO/TiO_2復(fù)合粉體的形貌分析52-56
• 5.2.2 配制染料所用的溶劑及浸漬時(shí)間對(duì)電池性能的影響56-57
• 5.2.3 在TBOT中浸漬次數(shù)對(duì)電池電轉(zhuǎn)換性能的影響57-58
• 5.2.4 TBOT濃度對(duì)電池電轉(zhuǎn)換性能的影響58-60
• 5.2.5 不同形貌的ZnO/TiO_2核殼結(jié)構(gòu)對(duì)電池電轉(zhuǎn)換性能的影響60-61
• 5.3 本章小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-64
• 創(chuàng)新點(diǎn)64-65
• 不足與展望65-66
• 致謝66-67
• 參考文獻(xiàn)67-74

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