以納米管陣列為光陽極材料的薄膜太陽能電池的光電性能研究

【摘要】：Ti02納米管陣列涂層由于具有環(huán)境友好,價格低廉,較大的比表面積和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)一直備受關(guān)注,經(jīng)常作為染料敏化太陽能電池的光陽極材料而應(yīng)用到能源領(lǐng)域。但由于受到Ti02的寬能帶限制,以及光生電子在納米管與鈦基底間的界面處易被空穴俘獲,因此以納米管涂層為光陽極的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率一直很低。光陽極的組成和結(jié)構(gòu)將直接影響染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性,本文通過分析兩種不同材料納米管陣列涂層的光電性質(zhì),試圖探尋納米管陣列涂層作為染料敏化太陽能電池光陽極材料的最佳組成和結(jié)構(gòu),并通過優(yōu)化納米管與金屬基底間的界面結(jié)構(gòu)來提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率。主要內(nèi)容如下： (1)用陽極氧化法在鈦合金表面制備了Ti02納米管陣列(TiO2nanotube array,TNT)涂層(TNT/Ti),以該涂層為光陽極材料封裝了太陽能電池,并測試了其光電性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)換效率與管徑和管長呈正相關(guān),對于這一現(xiàn)象的合理解釋是較大的管長和管徑能夠吸附更多的染料,從而增加光生電子的數(shù)量。此外,在鈦基底表面生長的納米管涂層很難實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率,原因在于納米管與鈦基底間的肖特基接觸面俘獲光生電子,并影響電子的傳輸。基于TNT/Ti光陽極較低的光電轉(zhuǎn)換效率,本研究設(shè)想通過優(yōu)化納米管陣列涂層與Ti02阻擋層間的構(gòu)造關(guān)系來增強(qiáng)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。此外,還考察了導(dǎo)電基底的不同對光電轉(zhuǎn)換效率的影響。在導(dǎo)電玻璃(FTO)表面濺射一層鈦金屬,通過陽極氧化法在FTO表面形成TNT涂層。光電分析表明,無論對于TNT/Ti光陽極材料或是TNT/FTO光陽極材料,隨著納米管管長的增加,涂層吸附的染料分子數(shù)量增加,開路電壓增大,但同時阻擋層的厚度也在增加,光生電子在傳輸過程中被空穴俘獲的機(jī)率增大。當(dāng)納米管的管長為5μm時,TNT/Ti光陽極材料的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了3.8%。 (2)采用陽極氧化法在純鐵表面制備了Fe203納米管陣列涂層,其管徑尺寸為40-60nm。制備過程中的參數(shù)能夠明顯調(diào)控納米管的形貌。當(dāng)氧化時間超過30min時,納米管的形貌會消失；當(dāng)F-濃度超過9wt%時,納米管涂層會被溶解；在10-40V電壓范圍內(nèi),納米管陣列的管徑與電壓呈正相關(guān)關(guān)系。空氣氣氛下對Fe203納米管陣列進(jìn)行退火處理后可得到α-Fe2O3(赤鐵礦)納米管陣列涂層,涂層在500℃下的溫度范圍內(nèi)具有熱穩(wěn)定性。 (3)以α-Fe2O3(赤鐵礦)納米管陣列涂層為前驅(qū)體涂層,進(jìn)行了硫化實(shí)驗。通過分析比較不同硫化實(shí)驗條件下納米管的物化性能,獲得了水熱硫化法制備FeS2納米管陣列涂層的最佳硫化工藝。其工藝條件為：硫代硫酸鈉與硫粉為硫源,硫化溫度為200℃,硫化時間為5h。將FeS2納米管陣列涂層作為光陽極材料應(yīng)用于太陽能電池,研究發(fā)現(xiàn),電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了1.48%,雖然不及TNT/Ti理想,但是由于該結(jié)構(gòu)涂層不需要浸泡染料來產(chǎn)生光生電子,因此具有取代Ti02納米管陣列涂層的潛在優(yōu)勢。此外,研究發(fā)現(xiàn),適量的S-進(jìn)入Fe203的晶格后將引入電子或空穴的陷阱,從而降低了電子-空穴對的復(fù)合機(jī)率,延長光生電子的壽命,基于這樣納米管狀結(jié)構(gòu)的FeS2陣列涂層極有可能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的突破。 【關(guān)鍵詞】：納米管 光電轉(zhuǎn)化 黃鐵礦 二氧化鈦 染料敏化太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 太陽能電池的發(fā)展歷程12-15
• 1.2 TiO_2納米管薄膜15-21
• 1.2.1 TiO_2納米管薄膜的制備15-17
• 1.2.2 TiO_2納米管陣列涂層的應(yīng)用研究17-19
• 1.2.3 TiO_2作為光電材料的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方法19-21
• 1.3 Fe_2O_3納米管薄膜21-23
• 1.3.1 Fe_2O_3納米管薄膜的制備22-23
• 1.3.2 Fe_2O_3納米管陣列薄膜的光催化性能研究進(jìn)展23
• 1.4 FeS_2化合物23-26
• 1.4.1 FeS_2薄膜的制備24-26
• 1.4.2 FeS_2的光電性能26
• 1.5 本課題的提出意義及研究內(nèi)容26-28
• 第2章 以TNT涂層為光陽極材料的太陽能電池的制備及性能研究28-48
• 2.1 序言28-29
• 2.2 實(shí)驗部分29-35
• 2.2.1 實(shí)驗試劑29
• 2.2.2 實(shí)驗儀器29-30
• 2.2.3 陽極氧化法制備TNT薄膜的實(shí)驗裝置30-31
• 2.2.4 TNT薄膜的形成機(jī)理31-32
• 2.2.5 實(shí)驗操作過程32-33
• 2.2.6 以FTO為基底的TNT涂層的制備33-34
• 2.2.7 染料敏化太陽能電池的制備34
• 2.2.8 試樣表征34-35
• 2.3 實(shí)驗結(jié)果與討論35-46
• 2.3.1 氧化電壓對二氧化鈦納米管陣列薄膜形貌的影響35-37
• 2.3.2 二氧化鈦納米管陣列的XRD圖譜分析37-38
• 2.3.3 氧化時間對二氧化鈦納米管陣列形貌的影響38-39
• 2.3.4 TNT染料敏化太陽能電池的工作機(jī)理39-41
• 2.3.5 TNT敏化太陽能電池的光伏特性41-42
• 2.3.6 TNT/Ti的光電性能42-46
• 2.3.7 TNT/FTO光陽極的光伏特性46
• 2.4 本章小結(jié)46-48
• 第3章 氧化鐵納米管的制備及研究48-60
• 3.1 序言48
• 3.2 實(shí)驗部分48-51
• 3.2.1 電解液的配制48
• 3.2.2 樣品處理48-49
• 3.2.3 陽極氧化49-51
• 3.3 實(shí)驗結(jié)果與討論51-58
• 3.3.1 氧化電壓對納米管陣列影響51-52
• 3.3.2 F-離子濃度對陽極氧化產(chǎn)物形貌的影響52-53
• 3.3.3 氧化時間對陽極氧化產(chǎn)物形貌的影響53-54
• 3.3.4 Fe_2O_3納米管陣列形成機(jī)理54-57
• 3.3.5 退火溫度對Fe_2O_3納米管結(jié)構(gòu)的影響57-58
• 3.4 本章小結(jié)58-60
• 第4章 FeS_2納米管陣列的制備及光電性能研究60-74
• 4.1 序言60-61
• 4.2 實(shí)驗部分61-63
• 4.2.1 實(shí)驗試劑61
• 4.2.2 實(shí)驗儀器61
• 4.2.3 前驅(qū)體硫化法制備FeS_2納米管陣列涂層61-63
• 4.3 實(shí)驗結(jié)果與討論63-73
• 4.3.1 硫源的選擇63-65
• 4.3.2 硫源濃度的選擇65-67
• 4.3.3 硫化時間的選擇67-69
• 4.3.4 樣品的拉曼光譜分析69-71
• 4.3.5 FeS_2納米管陣列涂層的光電性能71-73
• 4.4 本章小結(jié)73-74
• 第5章 結(jié)論74-76
• 參考文獻(xiàn)76-83
• 致謝83

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