基于硅與氧化錫納米材料的太陽(yáng)能電池研究

【摘要】：隨著能源緊張與環(huán)境污染日益加劇,新能源開(kāi)發(fā)與利用逐漸迫在眉睫。在各種各樣的新能源中,太陽(yáng)能作為最重要的可再生能源由于無(wú)污染、取之不盡、用之不竭等特點(diǎn)吸引了人們?cè)絹?lái)越多的重視。本文詳細(xì)闡述了太陽(yáng)能電池的分類,結(jié)構(gòu)以及原理。在此基礎(chǔ)上,主要研究了PtRu修飾硅半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、CdS復(fù)合Sn02染料敏化太陽(yáng)能電池的制備以及表征。主要內(nèi)容如下： 1.采用濕法刻蝕制備了硅納米線陣列(SiNW),研究了HF酸濃度、AgNO3濃度、實(shí)驗(yàn)溫度以及反應(yīng)時(shí)間對(duì)SiNW的影響。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得樣品的微觀組織與形貌進(jìn)行了表征與分析,確定了制備SiNW的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)為HF酸濃度4.8M、AgNO3濃度0.02M、實(shí)驗(yàn)溫度50℃、反應(yīng)時(shí)間60min。 XRD分析表明,化學(xué)刻蝕未改變所使用硅片的晶體結(jié)構(gòu),詳細(xì)分析了濕法刻蝕SiNW的形成機(jī)理,研究表明陣列的形成主要是由于Ag離子和基底Si原子之間的氧化還原反應(yīng)所致。 2.制備了貴金屬粒子修飾的Pt/SiNW、PtRu/SiNW復(fù)合材料,通過(guò)電化學(xué)工作站和太陽(yáng)光模擬器對(duì)SiNW、Pt/SiNW和PtRu/SiNW電極電池的性能進(jìn)行了測(cè)試與分析。以刻蝕好的SiNW為基底、H2PtCl6為鉑源、 RuCl3為釘源,乙二醇作為還原劑,在160℃的反應(yīng)條件下得到了PtRu合金粒子修飾的SiNW。利用SiNW、ITO導(dǎo)電玻璃、Surly膜以及電解液組裝成太陽(yáng)能電池。對(duì)SiNW、Pt/SiNW和PtRu/SiNW電極電池的性能的測(cè)試與分析表明,PtRu/SiNW電極光照時(shí)產(chǎn)生的光電流密度最大,電池效率最高為7.25%,比Pt/SiNW電極電池效率提高了20.0%,是SiNW電極電池效率的3.3倍。性能提高的主要原因是金屬和半導(dǎo)體的接觸使得電子更容易在界面處進(jìn)行傳輸,并且減少了電子和空穴的復(fù)合 3.以水熱法合成了納米球狀的SnO2,研究了濃H2SO4的加入量對(duì)Sn02形貌的影響,結(jié)果表明當(dāng)濃H2SO4加入量為0.02mmol的時(shí)候,所得退火Sn02材料為非常均一的空心半球結(jié)構(gòu)。通過(guò)旋涂的方法將所得Sn02材料進(jìn)行制膜,在此基礎(chǔ)上,利用連續(xù)離子層吸附的方法將CdS量子點(diǎn)和Sn02工作電極進(jìn)行復(fù)合。對(duì)復(fù)合之后的工作電極進(jìn)行了SEM、XRD、TEM表征與分析,并對(duì)其光電性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：當(dāng)連續(xù)離子層吸附次數(shù)為5次時(shí),電池的性能最好。最大電流密度5.92mA/cm2,開(kāi)路電壓為0.70V,光電效率為3.01%。光電轉(zhuǎn)換效率提高最主要的原因是CdS量子點(diǎn)與Sn02納米材料復(fù)合之后,由于能帶匹配,工作電極對(duì)光的吸收范圍從紫外光區(qū)擴(kuò)寬到可見(jiàn)光區(qū),提高了對(duì)太陽(yáng)光的利用率。 4.通過(guò)旋涂制膜的方法,先在ITO導(dǎo)電玻璃基底上旋涂制成Ti02薄膜,退火之后在其表面再旋涂Sn02納米晶薄膜。研究表明,和Sn02薄膜染料敏化太陽(yáng)能電池相比,由于Sn02和Ti02能級(jí)匹配以及Ti02作為緩沖層的作用,SnO2/TiO2異質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池性能有了較大幅度的提高,光電轉(zhuǎn)換效率提高了50%。 【關(guān)鍵詞】：硅納米線陣列 濕法刻蝕 硫化鎘 氧化錫 太陽(yáng)能電池
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.4;TB383.1
【目錄】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 緒論12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 太陽(yáng)能電池的分類12-22
• 1.2.1 硅太陽(yáng)能電池13-14
• 1.2.2 有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池14-16
• 1.2.3 化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池16-17
• 1.2.4 染料敏化太陽(yáng)能電池17-22
• 1.3 太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)22-27
• 1.3.1 p-n結(jié)與p-i-n結(jié)太陽(yáng)能電池22-24
• 1.3.2 M-S、PEC太陽(yáng)能電池24-26
• 1.3.3 DSSC太陽(yáng)能電池26-27
• 1.4 太陽(yáng)能電池的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)27-28
• 1.5 本文研究?jī)?nèi)容28-30
• 第二章 PtRu修飾硅納米線陣列的制備及光電性能研究30-52
• 2.1 引言30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分30-33
• 2.2.1 試劑與儀器30-31
• 2.2.2 SiNW、Pt/SiNW和PtRu/SiNW的制備31-32
• 2.2.3 太陽(yáng)能電池制備32
• 2.2.4 結(jié)構(gòu)與表征32
• 2.2.5 光電性能測(cè)試32-33
• 2.3 結(jié)果與討論33-51
• 2.3.1 各種實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)對(duì)硅納米線陣列的影響33-41
• 2.3.2 硅納米線陣列形成機(jī)理41-42
• 2.3.3 漫反射光譜分析42-43
• 2.3.4 結(jié)構(gòu)與物相分析43-46
• 2.3.5 光電性能測(cè)試46-51
• 2.4 本章小結(jié)51-52
• 第三章 CdS量子點(diǎn)敏化SnO_2納米材料太陽(yáng)能電池52-67
• 3.1 前言52-53
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分53-56
• 3.2.1 試劑與儀器53-54
• 3.2.2 樣品制備54-55
• 3.2.3 電池組裝55-56
• 3.2.4 結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試56
• 3.3 結(jié)果與討論56-66
• 3.3.1 H_2SO_4加入量對(duì)SnO_2納米晶形貌的影響56-59
• 3.3.2 旋涂次數(shù)對(duì)SnO_2納米晶薄膜厚度的影響59
• 3.3.3 SEM分析59-60
• 3.3.4 XRD分析60-61
• 3.3.5 TEM分析61-62
• 3.3.6 PEG-20000的加入對(duì)CdS/SnO_2復(fù)合薄膜工作電極的影響62-63
• 3.3.7 不同連續(xù)離子層沉積次數(shù)對(duì)漫反射吸收光譜的影響63
• 3.3.8 電池性能測(cè)試63-66
• 3.4 本章小結(jié)66-67
• 第四章 SnO_2/TiO_2異質(zhì)雙層膜染料敏化太陽(yáng)能電池67-76
• 4.1 引言67-68
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分68-70
• 4.2.1 試劑與儀器68-69
• 4.2.2 樣品制備69
• 4.2.3 電池組裝69-70
• 4.2.4 結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試70
• 4.3 結(jié)果與討論70-75
• 4.3.1 SEM分析70-71
• 4.3.2 EDS分析71-72
• 4.3.3 XRD分析72
• 4.3.4 光學(xué)性能測(cè)試72-73
• 4.3.5 電學(xué)性能測(cè)試73-75
• 4.4 本章小結(jié)75-76
• 第五章 結(jié)論76-77
• 參考文獻(xiàn)77-85
• 致謝85-86
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文86
• 攻讀碩士期間參與的科研項(xiàng)目86-88
• 附表88

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