稀土轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）由于其原料便宜且無需高純度，還可以大量低價(jià)印刷而深受歡迎。與其他太陽(yáng)能電池相比，DSSC是獨(dú)一無二的，因?yàn)槠潆娮觽鬏敗⒐庾V吸收和空穴傳輸過程均可由不同材料完成。通過制備類葉綠體的多孔二氧化鈦薄膜作用光陽(yáng)極，DSSC可吸收太陽(yáng)光譜中的可見光部分從而產(chǎn)生光電流。染料（N719）將電子注入到TiO_2導(dǎo)帶，自身變?yōu)槿彪娮蛹ぐl(fā)態(tài)。因此，TiO_2導(dǎo)帶電子注入性能對(duì)整個(gè)電池效率起著最重要的作用。一直以來，總希望TiO_2光陽(yáng)極或敏化染料能夠捕獲太陽(yáng)光中的紅外光和近紅外光，以增強(qiáng)TiO_2-染料間產(chǎn)生電子的能力，提高電流密度。但是，目前最傳統(tǒng)的N719染料只允許吸收到700nm的光譜。一種旨在修飾太陽(yáng)能光譜以獲得更好的光譜匹配的方法就是光譜轉(zhuǎn)換。不同類型的光譜轉(zhuǎn)換方法被證明可行：通過上轉(zhuǎn)換將多個(gè)低能量光子轉(zhuǎn)換為高能量光子，或者通過下轉(zhuǎn)換和量子剪裁將高能量光子轉(zhuǎn)換為多個(gè)低能量光子。 本文通過制備以La_2O_2S、Gd_2O_3和NaYF_4為基質(zhì)的上下轉(zhuǎn)換熒光粉，并引入DSSC的TiO_2發(fā)光層中，以達(dá)到轉(zhuǎn)換紫外光或紅外光為可見光的目的。利用XRD、熒光光譜、電池光電性能等測(cè)試熒光粉及其對(duì)電池光電性能的影響。熒光粉引入到DSSC發(fā)光層中，形成p型摻雜效應(yīng)，以提高電池的光電流、開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。 1)用溶膠-凝膠法制備La_2O_2S:Eu~(3+)下轉(zhuǎn)換熒光粉，并引入到DSSC發(fā)光層中。作為發(fā)光媒介，La_2O_2S:Eu~(3+)熒光粉可以通過下轉(zhuǎn)換作用增強(qiáng)電池對(duì)紫外光的吸收。在摻雜量為3wt.%時(shí)，所制DSSC光電轉(zhuǎn)換效率最高為7.21%，比未摻雜時(shí)提高了25%。在24mW cm-2紫外光照射下，通過摻雜La_2O_2S:Eu~(3+)熒光粉，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率從0.943%提高到1.25%。 2)用沉淀-煅燒法制備Gd_2O_3:Er~(3+)上轉(zhuǎn)換熒光粉納米管，并引入到DSSC發(fā)光層中。在文中表征了Gd_2O_3:Er~(3+)熒光粉的XRD、SEM、EDS和激發(fā)發(fā)射光譜，確定了其物相、形貌、元素組成和光學(xué)特性。摻有Gd_2O_3:Er~(3+)上轉(zhuǎn)換熒光粉納米棒的發(fā)光層，具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光和光散射兩大功能，在摻雜量為5wt.%時(shí)，所制DSSC光電轉(zhuǎn)換效率最高為7.55%，比未摻雜時(shí)提高了27%。在33mW cm-2紅外光照射下，通過摻雜Gd_2O_3:Er~(3+)熒光粉，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率從0.0943%提高到0.229%。 3)用水熱-煅燒法制備了NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)上轉(zhuǎn)換熒光粉。通過表征其XRD、SEM、EDS和激發(fā)發(fā)射光譜，研究了其物相、形貌、元素組成和光學(xué)特性。當(dāng)摻雜量為4wt.%時(shí)，所制DSSC光電轉(zhuǎn)換效率最高為7.73%，比未摻雜時(shí)提高了30%。在33mW cm-2紅外光照射下，通過摻雜NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)熒光粉，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率從0.0943%提高到0.235%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 稀土 p型摻雜 上轉(zhuǎn)換 熒光粉
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.4;TB34
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 引言11-12
• 1.2 DSSC 的結(jié)構(gòu)和原理12-14
• 1.2.1 DSSC 基本結(jié)構(gòu)12-13
• 1.2.2 DSSC 工作原理13-14
• 1.3 DSSC 研究熱點(diǎn)14-20
• 1.3.0 DSSC 理論極限效率14-15
• 1.3.1 強(qiáng)烈吸收 D-π-A (donor-pi-acceptor) 染料15-16
• 1.3.2 氧化還原電對(duì)16-17
• 1.3.3 界面修飾17
• 1.3.4 光滯留17-18
• 1.3.5 共敏染料和能量繼電器染料18-20
• 1.4 上下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料及應(yīng)用進(jìn)展20-22
• 1.4.1 上轉(zhuǎn)換機(jī)理20-22
• 1.5 本文研究意義22-25
• 第2章 電池的制備及性能表征25-31
• 2.1 DSSC 各部件的制作及組裝25-26
• 2.1.1 導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理25
• 2.1.2 納米晶 TiO_2膠體的制備25
• 2.1.3 陽(yáng)極膜的制備25-26
• 2.1.4 電解質(zhì)的配制26
• 2.1.5 敏化劑26
• 2.1.6 對(duì)電極的制備26
• 2.1.7 DSSC 的組裝26
• 2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的性能指標(biāo)26-28
• 2.2.1 開路電壓27
• 2.2.2 短路電流27
• 2.2.3 填充因子27
• 2.2.4 總光電轉(zhuǎn)換效率27
• 2.2.5 DSSC 的 I-V 特性曲線27-28
• 2.3 DSSC 的性能測(cè)試及相關(guān)表征28-29
• 2.3.1 X-射線（XRD）衍射分析28-29
• 2.3.2 樣品形貌的觀察29
• 2.3.3 熒光光譜分析29
• 2.3.4 I-V 特性曲線的測(cè)量29
• 2.3.5 IPCE29
• 2.4 主要的實(shí)驗(yàn)儀器和藥品29-31
• 2.4.1 主要的實(shí)驗(yàn)儀器29
• 2.4.2 主要的實(shí)驗(yàn)藥品29-31
• 第3章 La_(32)O_2S:Eu~+熒光粉的制備及其在 DSSC 中的應(yīng)用31-39
• 3.1 引言31
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分31-32
• 3.2.1 TiO_2膠體及光陽(yáng)極的制備31
• 3.2.2 La_2O_2S:Eu~(3+)下轉(zhuǎn)換熒光粉的制備31-32
• 3.2.3 轉(zhuǎn)換發(fā)光膠體及其光陽(yáng)極的制備32
• 3.2.4 DSSC 組裝及光電性能的測(cè)試32
• 3.3 結(jié)果與討論32-37
• 3.3.1 La_2O_2S:Eu~(3+)熒光粉的 XRD 圖32-33
• 3.3.2 La_2O_2S:Eu~(3+)熒光粉的光學(xué)性質(zhì)33-34
• 3.3.3 下轉(zhuǎn)換熒光粉對(duì) DSSC 光電性能的影響34-37
• 3.4 本章小結(jié)37-39
• 第4章 Gd_2O~(3+)3:Er納米管的制備及其在 DSSC 中的應(yīng)用39-47
• 4.1 引言39
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分39-40
• 4.2.1 TiO_2膠體及光陽(yáng)極的制備39
• 4.2.2 Gd_2O_3:Er~(3+)上轉(zhuǎn)換熒光粉的制備39-40
• 4.2.3 轉(zhuǎn)換發(fā)光膠體及其光陽(yáng)極的制備40
• 4.2.4 DSSC 組裝及光電性能的測(cè)試40
• 4.3 結(jié)果與討論40-46
• 4.3.1 Gd_2O_3:Er~(3+)熒光粉的物相及形貌分析40-41
• 4.3.2 Gd_2O_3:Er~(3+)熒光粉的光學(xué)特性41-43
• 4.3.3 Gd_2O_3:Er~(3+)熒光粉對(duì) DSSC 光電性能的影響43-46
• 4.4 本章小結(jié)46-47
• 第5章 NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)熒光粉的制備及其在 DSSC 中的應(yīng)用47-57
• 5.1 引言47
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分47-48
• 5.2.1 TiO_2膠體及光陽(yáng)極的制備47
• 5.2.2 NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)上轉(zhuǎn)換熒光粉的制備47-48
• 5.2.3 轉(zhuǎn)換發(fā)光膠體及其光陽(yáng)極的制備48
• 5.2.4 DSSC 組裝及光電性能的測(cè)試48
• 5.3 結(jié)果與分析48-55
• 5.3.1 晶體結(jié)構(gòu)、元素分析及形貌觀察48-50
• 5.3.2 NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)熒光粉的光學(xué)特性50-51
• 5.3.3 NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)上轉(zhuǎn)換熒光粉對(duì) DSSC 光電性能的影響51-55
• 5.4 本章小結(jié)55-57
• 第6章 結(jié)論57-59
• 參考文獻(xiàn)59-67
• 致謝67-69
• 碩士研究生在讀期間發(fā)表的論文69

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