ZnO/SnO_2核殼結(jié)構(gòu)陣列的制備及其染料敏化太陽(yáng)能電池性能研究

【摘要】：在積極開(kāi)發(fā)新能源的今天,染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)以其具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率、較低的生產(chǎn)成本以及適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)受到人們的大量關(guān)注。DSSC的光陽(yáng)極材料主要包括TiO2、ZnO和Sn02等化合物半導(dǎo)體材料。目前為止,研究最多并且光電轉(zhuǎn)換效率最高的是Ti02基DSSC,最高效率可達(dá)11%。但是由于Ti02容易光降解染料分子、電子遷移率低易造成載流子在傳輸過(guò)程的復(fù)合等問(wèn)題阻礙了TiO2基DSSC的發(fā)展。 ZnO憑借其電子傳輸速度(115-155cm2V-1S-1)遠(yuǎn)高于TiO2(10-5cm2V-1S-1),帶隙和導(dǎo)帶位置與Ti02相近,并且成本低、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而成為DSSC光陽(yáng)極材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者。本文重點(diǎn)研究的一維ZnO納米針陣列在具備ZnO納米晶材料優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),其一維結(jié)構(gòu)克服了納米顆粒薄膜中表面態(tài)、孤立的納米顆粒和缺陷對(duì)光生電子捕獲的問(wèn)題,提供了載流子直接傳入基底的路徑,提升了載流子傳輸?shù)乃俾什⒁种屏溯d流子的復(fù)合,從而提高了ZnO基DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率。但是,一維ZnO納米針陣列有著化學(xué)穩(wěn)定性低、易被酸堿腐蝕、對(duì)染料分子光降解作用強(qiáng)以及表面染料容易與Zn3+形成非正常聚集等缺點(diǎn),導(dǎo)致其光電性能較低。針對(duì)這一問(wèn)題,科研工作者們采用不同的半導(dǎo)體材料對(duì)ZnO納米針進(jìn)行包覆形成核殼結(jié)構(gòu),這種方法可以對(duì)ZnO進(jìn)行保護(hù),克服上述缺點(diǎn)。 基于上述考慮,本文以一維ZnO納米針陣列為研究重點(diǎn),進(jìn)行了以下兩方面研究： 1.成功制備出了多尺寸分布的ZnO納米針陣列,并得到了效率較高的ZnO基DSSC。利用一定比例的Zn(NO3)2·6H2O、NH3· H2O和NH4F為原料,采用簡(jiǎn)單的低溫水熱方法,通過(guò)調(diào)控反應(yīng)時(shí)間,在FTO導(dǎo)電玻璃上成功制備出不同長(zhǎng)度的ZnO納米針陣列薄膜,且陣列中納米針為多尺寸分布,高溫?zé)Y(jié)后ZnO的結(jié)晶度得到了提高。該多尺寸分布的針狀結(jié)構(gòu)可大大提高薄膜對(duì)太陽(yáng)光的捕獲量,當(dāng)用做DSSC的光陽(yáng)極,DSSC電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)2.87%。研究發(fā)現(xiàn),在ZnO納米針陣列的制備過(guò)程中,NH4F的加入起著至關(guān)重要的作用,在水熱條件下F對(duì)ZnO納米針的表面進(jìn)行選擇性刻蝕,一方面形成了多尺寸分布的納米針陣列,可增加對(duì)太陽(yáng)光的捕獲量；另一方面F-改善ZnO納米針的表面態(tài),有效地提高了染料的吸附量。 2.利用提拉法在ZnO納米針外層包覆SnO2殼層,成功獲得了ZnO/SnO2核殼結(jié)構(gòu)納米針陣列。通過(guò)SnO2的均勻包覆,ZnO/SnO2基DSSC的光電性能得到大幅提升,這主要應(yīng)得益于Sn02非晶殼層對(duì)Zn0和染料、電解液的有效隔離以及形成向基底的電子傳輸隧道圍欄,抑制了載流子的復(fù)合,促進(jìn)了載流子向基底的遷移,ZnO/SnO2基DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)4.71%。 【關(guān)鍵詞】：ZnO 納米針 核殼結(jié)構(gòu) 染料敏化太陽(yáng)能電池 光陽(yáng)極
【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】：2012
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-30
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展12-13
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池綜述13-22
• 1.3.1 染料敏化太陽(yáng)能電池工作原理概述13-17
• 1.3.2 DSSC的評(píng)價(jià)指標(biāo)17-18
• 1.3.3 染料敏化太陽(yáng)能電池研究及發(fā)展現(xiàn)狀18-22
• 1.4 ZNO基染料敏化太陽(yáng)能電池22-28
• 1.4.1 ZnO的晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)22-24
• 1.4.2 ZnO在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用24-26
• 1.4.3 核殼結(jié)構(gòu)ZnO陣列在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用26-28
• 1.5 論文的選題背景與主要研究?jī)?nèi)容28-30
• 第二章 ZnO納米針陣列的水熱法制備以及在DSSC中的應(yīng)用30-39
• 2.1 引言30-31
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分31-33
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及試劑31
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器31
• 2.2.3 ZnO納米針狀陣列的水熱法制備31-32
• 2.2.4 樣品表征及性能測(cè)試32-33
• 2.2.5 電池的組裝33
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論33-38
• 2.3.1 ZnO陣列的X射線衍射分析33-34
• 2.3.2 ZnO陣列的SEM表征34-36
• 2.3.3 ZnO陣列對(duì)染料吸附能力的測(cè)試36-37
• 2.3.4 ZnO納米針陣列基DSSC光伏性能測(cè)試37-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第三章 ZnO/SnO_2核殼結(jié)構(gòu)納米針在DSSC中的應(yīng)用39-50
• 3.1 引言39-40
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分40-42
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及試劑40-41
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器41
• 3.2.3 ZnO/SnO_2核殼結(jié)構(gòu)納米針的制備41
• 3.2.4 樣品的表征41-42
• 3.2.5 電池的組裝42
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論42-49
• 3.3.1 包覆SnO_2前后樣品的X射線衍射分析42-43
• 3.3.2 包覆SnO_2前后樣品的SEM表征及對(duì)比43
• 3.3.3 ZnO/SnO_2核殼結(jié)構(gòu)納米針的TEM表征43-45
• 3.3.4 ZnO/SnO_2核殼結(jié)構(gòu)納米針的EDS分析45-46
• 3.3.5 包覆SnO_2前后樣品的光電性能及表征46-47
• 3.3.6 包覆SnO_2前后樣品對(duì)N719吸附能力對(duì)比分析47
• 3.3.7 包覆SnO_2前后樣品的阻抗分析47-49
• 3.4 本章小結(jié)49-50
• 第四章 總結(jié)50-52
• 參考文獻(xiàn)52-57
• 在校期間發(fā)表的論文及研究成果57-58
• 致謝58

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