多分散性尺寸分布氧化鋅薄膜的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：從1991年開始,具有制作工藝簡單、成本低廉以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的染料敏化太陽能電池(DSSC)逐漸成為太陽能電池領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。為了提高DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率,科研工作者們進(jìn)行了大量的研究。 DSSC的光陽極半導(dǎo)體材料主要是TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5、SrTiO3等氧化物半導(dǎo)體材料。目前研究最多并且光電轉(zhuǎn)換效率最高的是TiO2基DSSC,最高效率為12.3%。但是TiO2電子遷移率低、存在大量表面態(tài)、容易光降解染料分子,阻礙了TiO2基DSSC的發(fā)展。在多種半導(dǎo)體材料中,ZnO的帶隙和導(dǎo)帶位置與TiO2相近,是環(huán)境友好型材料,成本低廉,同時(shí)它還具有較高的電子遷移率,有利于電子的傳輸和降低復(fù)合損失,并且ZnO具有易結(jié)晶性和各向異性生長的特點(diǎn),可以通過靈活的合成方法擁有各種不同的形態(tài)。所以ZnO是最具潛力替代TiO2的DSSC光陽極半導(dǎo)體材料。 本論文從光陽極半導(dǎo)體材料入手,制備了一種由等級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO微米球和ZnO納米顆粒交織組成的多分散性尺寸分布的ZnO材料,并將鋰鹽引入到ZnO生長溶液中以對(duì)ZnO進(jìn)行改性,改性后ZnO基DSSC光電轉(zhuǎn)換效率得到了較大的提高。本文主要由兩部分組成： 1.利用水熱法成功制備了由直徑為0.4～1.2gm左右的ZnO球和18nm左右的ZnO納米顆粒交織組成的多分散性尺寸分布的ZnO粉末。配制成漿料后,用刮刀法涂膜,用膠帶控制厚度,分別制備了厚度為4.3μm、8.29μm、12.04μm和16.21μm的薄膜。通過SEM、XRD、UV-vis absorption spectral等手段對(duì)樣品進(jìn)行表征。把樣品組裝成DSSC后,在膜厚為12.04μm時(shí)獲得3.22%的能量轉(zhuǎn)換效率。通過紫外可見吸收光譜和染料解吸附實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步解釋了薄膜厚度對(duì)電池光電性能的影響。 2.為了對(duì)水熱法制備出的多分散性尺寸分布的ZnO進(jìn)行改性,將鋰鹽引入到制備ZnO的反應(yīng)溶液中,獲得的樣品命名為Li-ZnO。經(jīng)過XRD、SEM、XPS、TEM等的表征,證明Li離子對(duì)ZnO納米多孔薄膜的晶型、顆粒大小、比表面積、化學(xué)穩(wěn)定性等均有影響。將同等厚度的ZnO和Li-ZnO樣品染料敏化后組裝成DSSC,在AM1.5標(biāo)準(zhǔn)模擬太陽光下進(jìn)行光電性能測試,發(fā)現(xiàn)鋰離子對(duì)電池的光電流大小影響效果明顯,獲得了4.65%的能量轉(zhuǎn)換效率。通過BET測試及電化學(xué)分析,進(jìn)一步證明Li-ZnO材料具有較大的比表面積,穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和較小的傳輸電阻,比較適合作為太陽能電池的工作電極。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 尺寸多分散 ZnO Li-Zno
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-27
• 1.1 引言11
• 1.2 太陽能電池11-15
• 1.2.1 太陽能電池概況12-13
• 1.2.2 太陽能電池的相關(guān)基本概念13-15
• 1.3 DSSC的結(jié)構(gòu)及其工作原理15-19
• 1.4 ZnO基DSSC的研究現(xiàn)狀19-25
• 1.5 本課題的選題依據(jù)及主要研究內(nèi)容25-27
• 第二章 多分散性尺寸分布ZnO的制備及其在DSSC中的應(yīng)用研究27-40
• 2.1 引言27-29
• 2.2 實(shí)驗(yàn)過程29-32
• 2.2.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑29-30
• 2.2.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器30
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)方法30-31
• 2.2.4 DSSC電池器件的組裝31
• 2.2.5 樣品的表征及電池性能測試31-32
• 2.3 結(jié)果與討論32-39
• 2.3.1 ZnO膜的SEM和TEM形貌分析32-34
• 2.3.2 ZnO晶體結(jié)構(gòu)分析(XRD)34-35
• 2.3.3 薄膜的厚度對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響與表征35-36
• 2.3.4 薄膜的厚度對(duì)膜的可見光吸收能力的影響36-37
• 2.3.5 染料的吸附性能實(shí)驗(yàn)37-39
• 2.4 結(jié)論39-40
• 第三章 鋰離子對(duì)多分散性尺寸分布ZnO基DSSC的影響40-55
• 3.1 引言40-41
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分41-44
• 3.2.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑41-42
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器42-43
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)方法43
• 3.2.4 染料吸附及電池器件的組裝43-44
• 3.2.5 薄膜的表征及電池性能測試44
• 3.3 結(jié)果與分析44-54
• 3.3.1 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的XRD表征44-45
• 3.3.2 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的SEM和TEM分析45-47
• 3.3.3 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的比表面積研究47-48
• 3.3.4 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的XPS分析48-49
• 3.3.5 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜光陽極應(yīng)用于DSSC49-50
• 3.3.6 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的染料吸附性能實(shí)驗(yàn)50-51
• 3.3.7 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜漫反射光譜分析51-52
• 3.3.8 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的交流阻抗譜分析52-54
• 3.4 本章小結(jié)54-55
• 第四章 總結(jié)與展望55-56
• 參考文獻(xiàn)56-62
• 致謝62

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