WO_3染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池的制備及性能研究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池因其簡(jiǎn)單的制作工藝及廉價(jià)的制作成本,成為太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其中光陽(yáng)極材料是影響染料敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素,因此本文選取具有優(yōu)良的電子傳輸性能和光電化學(xué)性質(zhì)的WO3半導(dǎo)體作為染料敏化太陽(yáng)能電池的工作電極。此外,利用非金屬摻雜可有效提高WO3的光吸收性能和電子傳輸性能,從而改善WO3的光電化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 本文以偏鎢酸銨為鎢源,十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑,通過(guò)水熱燒結(jié)法制備不同粒徑的納米WO3粉體。然后添加分散劑、粘結(jié)劑等配制WO3漿料,利用簡(jiǎn)單的刮涂法成功制備出WO3納米晶薄膜電極,并采用X-射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X-射線能譜分析(XPS)以及紫外-可見(jiàn)(UV-Vis)吸收光譜等手段進(jìn)行表征。研究發(fā)現(xiàn),WO3粉體粒徑是影響薄膜光電性能的重要因素。當(dāng)熱處理溫度為650℃的粉體制備成膜時(shí),樣品表現(xiàn)出最優(yōu)良的光電性能,光電流密度2.5mA/cm2,載流子濃度值達(dá)3.45×1020cm-3,平帶電位為0.46V。以尿素為N源加入WO3粉體漿料中,利用粉末涂敷法制得N摻雜WO3薄膜,并進(jìn)一步研究了不同N摻雜量對(duì)WO3薄膜電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,制備的N摻雜WO3薄膜是取代型N摻雜；當(dāng)N/W比1%時(shí),其禁帶寬度為2.5eV左右,其光電流密度是未摻雜WO3薄膜的1.5倍左右。 在上述研究的基礎(chǔ)上,分別以WO3以及N-WO3納米晶薄膜吸附N719染料作為工作電極,I3-/I-氧化還原對(duì)為電解質(zhì),鉑電極為對(duì)電極,成功組裝成簡(jiǎn)單的三明治式染料敏化太陽(yáng)能電池,通過(guò)I-V曲線、單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)的測(cè)試來(lái)研究工作電極膜厚對(duì)電池性能的影響。研究表明,當(dāng)W03以及N-W03納米晶薄膜膜厚為7μm時(shí)為最佳膜厚,在波長(zhǎng)500nm處光電轉(zhuǎn)換效率分別可達(dá)19%和28%。 【關(guān)鍵詞】：三氧化鎢 納米晶薄膜光陽(yáng)極 氮摻雜 染料敏化太陽(yáng)能電池
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)電池的工作原理及結(jié)構(gòu)10-13
• 1.2.1 染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)10-11
• 1.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理11-12
• 1.2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)12-13
• 1.3 WO_3多孔納米晶薄膜的制備方法研究進(jìn)展13-17
• 1.3.1 物理方法13-14
• 1.3.2 化學(xué)方法14-17
• 1.4 WO_3多孔納米晶薄膜的改性方法研究進(jìn)展17-20
• 1.4.1 染料敏化劑敏化法17-18
• 1.4.2 離子摻雜法18
• 1.4.3 半導(dǎo)體復(fù)合法18-19
• 1.4.4 貴金屬沉積法19-20
• 1.5 本論文的研究目的和研究?jī)?nèi)容20-21
• 第二章 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試方法21-28
• 2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備21
• 2.2 實(shí)驗(yàn)試劑21-23
• 2.3 實(shí)驗(yàn)制備方法23-25
• 2.3.1 WO_3納米晶薄膜的制備23-24
• 2.3.2 N摻雜WO_3納米晶薄膜的制備24
• 2.3.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的組裝24-25
• 2.4 薄膜結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試25-28
• 2.4.1 熱重-差示掃描量熱分析25
• 2.4.2 晶體結(jié)構(gòu)表征25
• 2.4.3 掃描電子顯微鏡表征25-26
• 2.4.4 高分辨透射電子顯微鏡表征26
• 2.4.5 紫外可見(jiàn)漫反射測(cè)試26
• 2.4.6 X-射線光電子能譜分析26
• 2.4.7 光電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試26
• 2.4.8 I-V特性曲線測(cè)試26-27
• 2.4.9 單色光光電轉(zhuǎn)換效率測(cè)試(IPCE)27-28
• 第三章 WO_3納米晶薄膜電極的制備及其光電化學(xué)性質(zhì)28-41
• 3.1 引言28
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法28-29
• 3.2.1 WO_3納米粉體的制備28-29
• 3.2.2 WO_3漿料及納米晶薄膜電極的制備29
• 3.2.3 WO_3納米晶薄膜電極的表征29
• 3.3 結(jié)果與討論29-39
• 3.3.1 前驅(qū)體TG-DTA分析29-30
• 3.3.2 WO_3納米晶薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌表征30-33
• 3.3.3 WO_3納米晶薄膜的比表積表征33-35
• 3.3.4 WO_3納米晶薄膜的UV-Vis吸收光譜35
• 3.3.5 WO_3納米晶薄膜的光電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試35-39
• 3.4 本章小結(jié)39-41
• 第四章 氮摻雜WO_3納米晶薄膜電極的制備及其光電化學(xué)性質(zhì)41-52
• 4.1 引言41-42
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法42
• 4.2.1 WO_3納米粉體的制備42
• 4.2.2 WO_3漿料及N摻雜納米晶薄膜電極的制備42
• 4.2.3 N摻雜WO_3納米晶薄膜電極的表征42
• 4.3 結(jié)果與討論42-51
• 4.3.1 N摻雜WO_3納米晶薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌表征42-44
• 4.3.2 N摻雜WO_3納米晶薄膜的光學(xué)特性44-45
• 4.3.3 N摻雜WO_3納米晶薄膜的XPS分析45-46
• 4.3.4 N摻雜WO_3納米晶薄膜的光電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試46-47
• 4.3.5 不同熱處理溫度對(duì)N摻雜WO_3納米晶薄膜結(jié)構(gòu)和形貌的影響47-49
• 4.3.6 不同熱處理溫度對(duì)N摻雜WO_3納米晶薄膜光學(xué)特性的影響49-50
• 4.3.7 不同熱處理溫度對(duì)N摻雜WO_3納米晶薄膜光電特性的影響50-51
• 4.4 本章小結(jié)51-52
• 第五章 基于WO_3染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池的組裝及性能研究52-64
• 5.1 引言52
• 5.2 實(shí)驗(yàn)方法52-54
• 5.2.1 WO_3納米粉體和漿料的制備52-53
• 5.2.2 染料敏化不同膜厚WO_3納米晶薄膜的制備53
• 5.2.3 染料敏化不同膜厚N摻雜WO_3納米晶薄膜的制備53
• 5.2.4 染料敏化太陽(yáng)能電池的組裝53-54
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論54-63
• 5.3.1 WO_3納米粉體的結(jié)構(gòu)表征54
• 5.3.2 不同膜厚WO_3和N摻雜WO_3納米晶薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌表征54-56
• 5.3.3 染料敏化WO_3納米晶薄膜的光學(xué)特性56-58
• 5.3.4 染料敏化太陽(yáng)能電池的I-V曲線測(cè)試58-60
• 5.3.5 染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)60-62
• 5.3.6 最佳膜厚的選擇62-63
• 5.4 本章小結(jié)63-64
• 第六章 結(jié)論64-65
• 參考文獻(xiàn)65-76
• 致謝76-77
• 攻讀學(xué)位期間主要的研究成果77

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