ZnO/Cu_2O敏化太陽能電池的制備及其光電化學(xué)性能研究

【摘要】：納米晶敏化太陽能電池(DSSC)是高效率、低成本太陽能電池的一個(gè)重要發(fā)展方向。氧化鋅(ZnO)納米柱陣列作為光陽極可以有效地降低電子傳輸?shù)木Ы鐒輭竞蛡鬏敁p耗，提高電荷傳輸能力，是最有潛力的光陽極材料之一。ZnO禁帶寬度較大，只能吸收紫外波段的光。為了拓寬光譜吸收范圍，通常需要與窄帶隙半導(dǎo)體進(jìn)行復(fù)合。氧化亞銅(Cu_2O)與硫化鎘(CdS)具有禁帶寬度窄、價(jià)格低廉、儲量豐富、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)良的半導(dǎo)體敏化劑材料。它們在敏化電池中具有很大的應(yīng)用前景。本文主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下： 1.首先在FTO(F:SnO_2)襯底上旋涂ZnO薄膜作為晶種，再用水熱法生長ZnO納米柱陣列。研究了晶種層退火溫度(260℃，360℃，460℃)、晶種層的旋涂次數(shù)以及溶液濃度對納米柱陣列的影響。結(jié)果表明：隨著晶種層退火溫度升高，陣列密度降低，這主要是由于晶種互相作用使得部分晶粒聚結(jié)長大，造成成核點(diǎn)減少；隨著晶種層旋涂次數(shù)的增加，晶種層越厚，使成核點(diǎn)增多，陣列密度增加；隨著溶液濃度的降低，陣列直徑變小，均勻性變差。 2.以上述方法制備的ZnO納米柱陣列為襯底，采用化學(xué)水浴法沉積Cu_2O納米晶，得到ZnO/Cu_2O復(fù)合膜，研究了復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)與光電性能。然后以ZnO/Cu_2O復(fù)合膜為光陽極、鉑(Pt)為對電極組裝成敏化太陽能電池，并研究了晶種層旋涂次數(shù)與晶種層退火溫度對其光電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：所制備的Cu_2O為多晶四方結(jié)構(gòu)；復(fù)合膜光譜響應(yīng)范圍擴(kuò)展到可見光區(qū)且具有整流效應(yīng)；晶種層越厚，晶種層退火溫度越高，電池光電轉(zhuǎn)化效率越高。因?yàn)殡S著旋涂次數(shù)的增加，陣列密度也增大，因此能吸附更多的Cu_2O納米晶，提高光的捕獲效率；提高退火溫度可以改善ZnO的結(jié)晶度，降低載流子復(fù)合損失。最后，在旋涂三次并460℃逐層退火的ZnO晶種上生長ZnO/Cu_2O復(fù)合光陽極并組裝成敏化電池，它的開路電壓達(dá)到0.27V，短路電流達(dá)到1.25mA/cm~2。 3.在ZnO與Cu_2O之間插入采用超聲化學(xué)水浴法沉積的CdS量子點(diǎn)，得到ZnO/CdS/Cu_2O復(fù)合膜，并以復(fù)合膜為光陽極、Pt為對電極組裝成敏化太陽能電池，研究了不同CdS沉積時(shí)間(1min，3min，5min，7min)對其光電化學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著CdS沉積時(shí)間的增加，電池的短路電流增加，在沉積5分鐘時(shí)獲得了6.7mA/cm~2的最大短路電流和0.31%的最高光電轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)沉積時(shí)間進(jìn)一步增加時(shí)，短路電流開始下降，這可能是由于CdS的電子注入效率降低造成的。 【關(guān)鍵詞】：氧化亞銅 氧化鋅 量子點(diǎn) 納米晶敏化電池 光陽極
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-20
• 1.1 太陽能電池概述9-11
• 1.1.1 太陽能電池的研究意義9
• 1.1.2 太陽能電池的分類9-11
• 1.2 納米晶敏化太陽能電池簡介11-16
• 1.2.1 納米晶敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)11-12
• 1.2.2 納米晶敏化太陽能電池的工作原理12-13
• 1.2.3 光陽極13-14
• 1.2.4 敏化劑14-16
• 1.3 ZnO/Cu_2O 太陽能電池的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.4 敏化太陽能電池的參數(shù)表征17-18
• 1.5 本論文的選題依據(jù)與主要內(nèi)容18-20
• 1.5.1 選題依據(jù)18-19
• 1.5.2 主要內(nèi)容19-20
• 第二章 ZnO 納米柱陣列的水熱法制備與表征20-27
• 2.1 引言20
• 2.2 ZnO 納米柱陣列的水熱法制備20-22
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與原料20-21
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟21-22
• 2.3 溶液的濃度對 ZnO 納米柱陣列的影響22-24
• 2.4 晶種層對 ZnO 納米柱陣列的影響24-26
• 2.4.1 晶種層厚度的影響24-25
• 2.4.2 晶種層退火溫度的影響25-26
• 2.5 小結(jié)26-27
• 第三章 ZnO/Cu_2O 敏化太陽能電池的制備與表征27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 ZnO/Cu_2O 復(fù)合光陽極敏化太陽能電池的制備27-30
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料27
• 3.2.2 Cu_2O 納米晶的制備27-28
• 3.2.3 Cu_2O/ZnO 復(fù)合光陽極的制備28-29
• 3.2.4 ZnO/Cu_2O 敏化太陽能電池的組裝29-30
• 3.3 Cu_2O 納米晶薄膜的表征30-32
• 3.4 ZnO/Cu_2O 復(fù)合光陽極的表征32-38
• 3.4.1 微觀結(jié)構(gòu)32-34
• 3.4.2 光學(xué)與電學(xué)性能34-35
• 3.4.3 ZnO/Cu_2O 復(fù)合光陽極的光電化學(xué)性能35-38
• 3.5 本章小結(jié)38-39
• 第四章 CdS 量子點(diǎn)對 ZnO/Cu_2O 敏化太陽能電池性能的影響39-45
• 4.1 引言39
• 4.2 ZnO/CdS/Cu_2O 敏化太陽能電池的制備39-40
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料39
• 4.2.2 ZnO/CdS/Cu_2O 復(fù)合光陽極的制備39-40
• 4.2.3 電池的組裝40
• 4.3 CdS 敏化 ZnO 納米柱陣列光陽極的微觀結(jié)構(gòu)40-41
• 4.4 ZnO/CdS/Cu_2O 復(fù)合光陽極敏化電池的表征41-44
• 4.5 本章小結(jié)44-45
• 第五章 總結(jié)與展望45-47
• 5.1 論文總結(jié)45
• 5.2 研究展望45-47
• 參考文獻(xiàn)47-53
• 致謝53-54
• 攻讀碩士學(xué)位期間的論文發(fā)表情況54

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