稀土發(fā)光材料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：太陽能是一種清潔能源，它取之不盡、用之不竭，可以幫助人類有效解決能源和環(huán)境等問題。太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓怆娀瘜W(xué)器件，得到了廣泛的研究。目前，掀起了對第三代太陽能電池—染料敏化太陽能電池（DSSC）的研究熱潮，其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了12%。如何進(jìn)一步提高DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率并降低它的成本是眾多科研工作者努力的目標(biāo)，也是亟待解決的問題之一。提高DSSC光電轉(zhuǎn)換效率的措施有很多，常見的有優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)，比如尋找和制備新型的n-型半導(dǎo)體、合成新染料、制備新的電解質(zhì)等；擴(kuò)大染料的光譜吸收范圍。目前，在眾多用于DSSC的染料中，最好的染料通常也只能吸收300–800nm范圍的光，因而致使很大波長范圍內(nèi)的紅外光和紫外光沒有得到有效的利用。如何充分利用太陽光，對DSSC轉(zhuǎn)換效率的提高有著重要的意義和研究價(jià)值。 本文分別以氟化釔、氧化釔為基質(zhì)，通過高溫煅燒法、水熱-煅燒法和水熱法制備了三種不同的稀土發(fā)光粉，并將其添加到DSSC中，利用上下轉(zhuǎn)換發(fā)光的作用，提高了電池對光的吸收及電池的光電流。同時(shí)，三價(jià)稀土離子的加入也導(dǎo)致了DSSC中光陽極平帶電勢的負(fù)向移動(dòng)和費(fèi)米能級的提高，提高了DSSC的開路電壓。因此，稀土發(fā)光粉的加入提高了DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率。 （1）通過高溫煅燒法制備了Er~(3+)和Yb~(3+)共摻雜的YF3:(Yb~(3+), Er~(3+))上轉(zhuǎn)換發(fā)光粉。將其添加到了DSSC中，提高了紅外光的利用率和電池的光電流。同時(shí)，三價(jià)稀土離子的P-型摻雜作用，提高了DSSC的開路電壓。在100mW·cm~(-2)(AM1.5)的模擬太陽光下，當(dāng)YF3:(Yb~(3+), Er~(3+))的摻雜量為7wt.%時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)換性能最佳，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了7.90%，比摻雜前提高了35%。在紅外光照射下（33mW·cm~(-2)），光電轉(zhuǎn)換效率從原來的0.055%提高到了0.226%。 （2）采用水熱-煅燒法制備了Y2O3:Er~(3+)納米棒狀上轉(zhuǎn)換發(fā)光粉，并將其引入到了DSSC中。通過測試該發(fā)光粉的XRD、SEM、TEM、HRTEM、SAED、EDS、激發(fā)光譜和發(fā)射光譜等，研究了它的物相、形貌特征和光學(xué)性能等。通過改變發(fā)光粉的添加量，研究了DSSC的性能隨Y2O3:Er~(3+)摻雜量的改變而變化的情況。結(jié)果表明，當(dāng)Y2O3:Er~(3+)的加入量為5wt.%時(shí)，DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率最大,達(dá)到了7.004%，比未摻雜的提高了20%。在33mW·cm~(-2)的紅外光照射下，光電轉(zhuǎn)換效率從原來的0.055%提高到了0.168%。 （3）采用水熱法，制備了下轉(zhuǎn)換發(fā)光粉YF3:Eu~(3+)，以提高DSSC的穩(wěn)定性和對紫外光的利用率。當(dāng)YF3:Eu~(3+)在DSSC中的摻雜量為5wt.%的時(shí)候，電池的性能最佳，光電轉(zhuǎn)換效率最大。在100mW·cm~(-2)的模擬太陽光下，光電轉(zhuǎn)換效率從5.841%提高到7.741%，提高了32%。在紫外光（24mW·cm~(-2)）照射下，光電轉(zhuǎn)換效率從原來的0.373%提高到了0.557%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 稀土氟化物 稀土氧化物 上下轉(zhuǎn)換P-型摻雜
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理11-12
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)11
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池的工作原理11-12
• 1.3 染料敏化太陽能電池中的光陽極12-13
• 1.4 染料敏化太陽能電池中的染料分子13-14
• 1.5 染料敏化太陽能電池中的電解質(zhì)14-15
• 1.6 染料敏化太陽能電池中的對電極15-16
• 1.7 稀土發(fā)光材料16-22
• 1.7.1 稀土發(fā)光材料簡介16
• 1.7.2 稀土發(fā)光材料的基質(zhì)16-21
• 1.7.3 稀土發(fā)光材料的激活劑21
• 1.7.4 稀土發(fā)光材料的敏化劑21-22
• 1.8 本論文的研究目的及研究內(nèi)容22-24
• 第2章 染料敏化太陽能電池的制備與表征24-30
• 2.1 DSSC 各部分的制備和組裝24-25
• 2.1.1 導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理24
• 2.1.2 光陽極的制備24
• 2.1.3 電解質(zhì)的配制24
• 2.1.4 敏化劑24-25
• 2.1.5 對電極的制備25
• 2.1.6 DSSC 的組裝25
• 2.2 染料敏化太陽能電池的性能測試25
• 2.3 染料敏化太陽能電池的性能指標(biāo)25-28
• 2.3.1 開路電壓和短路電流26
• 2.3.2 填充因子26-27
• 2.3.3 總光電轉(zhuǎn)換效率27
• 2.3.4 DSSC 的 I-V 特性曲線27
• 2.3.5 TiO2膜的平帶電勢和飽和電流密度27-28
• 2.4 DSSC 的性能測試及其表征28
• 2.4.1 X-射線（XRD）衍射分析28
• 2.4.2 樣品形貌的觀察28
• 2.4.3 熒光光譜分析28
• 2.4.4 I-V 特性曲線的測量28
• 2.4.5 DSSC 的平帶電勢和飽和電流密度的測量28
• 2.5 主要的實(shí)驗(yàn)儀器和藥品28-30
• 2.5.1 主要的實(shí)驗(yàn)儀器28-29
• 2.5.2 主要的實(shí)驗(yàn)藥品29-30
• 第3章 YF3:(Yb3+,Er3+)在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分30-32
• 3.2.1 TiO2膠體的制備30-31
• 3.2.2 上轉(zhuǎn)換發(fā)光粉 YF3:(Yb3+, Er3+)的制備31
• 3.2.3 上轉(zhuǎn)換發(fā)光電極的制備31-32
• 3.2.4 DSSC 的組裝及其光電性能測試32
• 3.3 結(jié)果與討論32-42
• 3.3.1 YF3:(Yb3+, Er3+)發(fā)光粉的 XRD 圖32-33
• 3.3.2 YF3:(Yb3+, Er3+)發(fā)光粉的光學(xué)性能33-35
• 3.3.3 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲線和電流-電壓曲線35-38
• 3.3.4 YF3:(Yb3+, Er3+)發(fā)光粉的加入對 DSSC 光電性能的影響38-42
• 3.4 本章小結(jié)42-44
• 第4章 Y2O3:Er3+納米棒在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分44-45
• 4.2.1 TiO2膠體的制備44
• 4.2.2 Y2O3:Er3+納米棒的制備44-45
• 4.2.3 上轉(zhuǎn)換發(fā)光電極的制備45
• 4.2.4 DSSC 的組裝及光電性能測試45
• 4.3 結(jié)果與討論45-56
• 4.3.1 Y2O3:Er3+發(fā)光粉的 XRD 圖譜45-46
• 4.3.2 Y2O3:Er3+發(fā)光粉的形貌分析46-47
• 4.3.3 Y2O3:Er3+發(fā)光粉的光學(xué)性能47-50
• 4.3.4 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲線和電流-電壓曲線50-52
• 4.3.5 Y2O3:Er3+發(fā)光粉的加入對 DSSC 光電性能的影響52-56
• 4.4 本章小結(jié)56-58
• 第5章 YF3:Eu3+在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用58-69
• 5.1 引言58
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分58-59
• 5.2.1 TiO2膠體的制備58
• 5.2.2 下轉(zhuǎn)換發(fā)光粉 YF3:Eu3+的制備58-59
• 5.2.3 下轉(zhuǎn)換發(fā)光電極的制備59
• 5.2.4 DSSC 的組裝及光電性能測試59
• 5.3 結(jié)果與討論59-68
• 5.3.1 YF3:Eu3+發(fā)光粉的 XRD 圖59-60
• 5.3.2 YF3:Eu3+發(fā)光粉的光學(xué)性能60-62
• 5.3.3 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲線和電流-電壓曲線62-64
• 5.3.4 YF3:Eu3+發(fā)光粉的加入對 DSSC 光電性能的影響64-68
• 5.4 本章小結(jié)68-69
• 第6章 總結(jié)69-72
• 參考文獻(xiàn)72-82
• 致謝82-84
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果84-85

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