BaSnO_3染料敏化太陽能電池的制備及其性能研究

【摘要】： 隨著全球變暖,大氣污染問題日趨嚴(yán)重化以及常規(guī)能源供應(yīng)耗盡,開發(fā)和利用可再生綠色能源已成為人類社會所面臨的重大課題。今天,太陽能發(fā)電被廣泛認(rèn)為是一種可持續(xù)增長的、綠色可再生的能源技術(shù),而太陽能電池已經(jīng)漸漸應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域,從消費(fèi)電子、小尺度分布式系統(tǒng)到兆瓦規(guī)模的集中火力發(fā)電廠都能發(fā)現(xiàn)它的存在。目前,太陽能電池是以固態(tài)光伏電池為主導(dǎo)的。以后太陽能電池將會向低廉高效的方向發(fā)展,染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)則正是因?yàn)檫@樣的優(yōu)勢而獲得了廣泛的關(guān)注。雖然這種電池已經(jīng)具有適度的光電轉(zhuǎn)化效率,可是仍有許多方面需要進(jìn)一步改進(jìn),比如電子的傳輸以及光吸收范圍等。 自從瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Gr?tzel教授發(fā)明了這種由染料拓寬半導(dǎo)體納米多孔薄膜光吸收范圍的太陽能電池之后,許多的學(xué)術(shù)以及商業(yè)研究機(jī)構(gòu)都對其產(chǎn)生了很大的興趣并投入了大量的資金與精力去提高其效率以及組裝電池的更好方法。尤其是在之后的6年中,Gr?tzel教授的小組得到美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的證明將其電池效率提高至10%。染料敏化太陽能電池一般是由納米晶氧化物半導(dǎo)體做成的薄膜電極,染料敏化劑,電解液,對電機(jī)以及透明導(dǎo)電襯底組成。具有代表性的就是將二氧化鈦薄膜作為電池陽極,鉑電極作為對電極,然后加入溶于有機(jī)溶劑的I3?/I?溶液作為電解液,這樣就組成了一個具有三明治結(jié)構(gòu)的DSSC。由于具有廉價,市場資源充足,無毒,生物相適性,并且可以大規(guī)模用在保健品以及繪畫顏料上,TiO2是作為DSSC陽電極材料的最佳選擇。但是二氧化鈦也有很大的光催化性質(zhì),有可能分解染料,因而有出現(xiàn)了很多關(guān)于其它材料的報道。 以前的對工作電極材料的研究都只是針對二元氧化物,比如TiO2,ZnO,SnO2,Nb2O5和In2O3。相對而言,多元氧化物很少有人研究過。據(jù)我們所知僅僅的報道只有SrTiO3和最近的Zn2SnO4。與二元氧化物相比,多元氧化物的材料具有更自由的條件去調(diào)節(jié)材料的化學(xué)和物理性質(zhì),接著通過這種對其性能的改變而尋找到最適合作為電池工作陽極材料。本文通過利用不同方法制備BaSnO3顆粒并測試其形貌和光學(xué)性質(zhì),研究了不同制備方法對物質(zhì)的性質(zhì)的影響。通過表面光電壓和將其作為工作電極組裝成染料敏化太陽能電池,研究了不同制備方法的BaSnO3顆粒性質(zhì)之間的差異和電池不同效率之間的關(guān)系,并得到了1.1%的光電轉(zhuǎn)化效率。主要作了以下有意義的工作: 1.分別使用共沉淀,水熱和固相三種方法制備出顆粒大小在0.1-1.1μm范圍內(nèi)的BaSnO3顆粒,分別利用X射線衍射,掃描電子顯微鏡,比表面積儀,拉曼光譜研究其結(jié)構(gòu)與形貌情況,并研究了其敏化前后的表面光電壓特性曲線。其結(jié)果顯示共沉淀法制備的BaSnO3樣品具有最好的光電效應(yīng)并且與N719具有最好的相互作用有可能做成敏化太陽能電池。 2.分別以三個不同方法制備的BaSnO3樣品為原料,加入水、分散劑后進(jìn)行研磨,把所得的漿料涂敷在導(dǎo)電玻璃上成膜,550 oC熱處理30 min后,在N719染料的乙醇溶液(5×10-5 M)中浸泡24 h,得到BaSnO3/染料電極。用夾子把BaSnO3/染料電極和鍍Pt的對電極夾緊,在兩者之間滴加電解液,即完成染料敏化太陽能電池的制作。并使用CHI660電化學(xué)工作站測試電池的光電轉(zhuǎn)化性能。得到1.1%的光電轉(zhuǎn)化效率。 3.通過改進(jìn)后的水熱法制備出具有菱形十二面體結(jié)構(gòu)的BaSnO3顆粒,并利用X射線衍射,掃描電子顯微鏡,,拉曼光譜,紅外光譜研究其結(jié)構(gòu)與形貌情況。其結(jié)果當(dāng)溫度上升至240 oC時得到所需結(jié)構(gòu),其顆粒大小也由240 oC時的10μm長大到270 oC時的15μm。當(dāng)溫度上升到280 oC時,顆粒大小突然降至4μm。探測各個溫度所得樣品時的紫外可見吸收和表面光電壓性質(zhì),我們發(fā)現(xiàn)控制BaSnO3顆粒的大小可以改變其表面光電壓性質(zhì)。 【關(guān)鍵詞】：BaSnO_3 N719 染料敏化電池 電流密度 水熱反應(yīng) 菱形十二面體 表面光電壓譜
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 染料敏化電池的歷史發(fā)展及研究現(xiàn)狀11-14
• 1.1.1 太陽能電池的種類11-12
• 1.1.2 太陽光譜12-13
• 1.1.3 I –V 曲線13-14
• 1.2 染料敏化納米晶太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理14-16
• 1.2.1 結(jié)構(gòu)14-15
• 1.2.2 工作原理15-16
• 1.3 工作電極半導(dǎo)體材料和染料敏化劑16-19
• 1.4 氧化還原電解質(zhì)19-21
• 1.4.1 液態(tài)電解質(zhì)19-20
• 1.4.2 準(zhǔn)固態(tài)態(tài)電解質(zhì)20-21
• 1.4.3 固態(tài)電解質(zhì)21
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容21-22
• 1.6 本論文的研究意義22-24
• 參考文獻(xiàn)24-27
• 第2章 染料敏化太陽能電池的制備及表征27-37
• 2.1 染料敏化太陽能電池的制備27-29
• 2.1.1 薄膜電極的制備27-28
• 2.1.2 鉑電極的制備28-29
• 2.1.3 電池的組裝29
• 2.2 染料敏化太陽能電池的表征29-34
• 2.2.1 半導(dǎo)體材料的表征和分析29-32
• 2.2.2 半導(dǎo)體薄膜的表征和分析32-34
• 2.2.3 太陽能電池光電化學(xué)測量34
• 2.3 本章小結(jié)34-36
• 參考文獻(xiàn)36-37
• 第3章 不同方法制備BaSnO_3納米顆粒的表面光電壓性質(zhì)研究37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 實(shí)驗(yàn)和測試37-38
• 3.2.1 樣品的制備37-38
• 3.2.2 樣品測試38
• 3.3 結(jié)果和討論38-46
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)和形貌38-40
• 3.3.2 拉曼譜分析40-41
• 3.3.3 紫外-可見吸收光譜41-42
• 3.3.4 熱重-差熱分析42-43
• 3.3.5 表面光電壓分析43-45
• 3.3.6 光催化性能的研究45-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 參考文獻(xiàn)47-49
• 第4章 BaSnO_3為工作電極的敏化太陽能電池49-63
• 4.1 引言49-50
• 4.2 實(shí)驗(yàn)和測試50-51
• 4.2.1 敏化樣品的制備50
• 4.2.2 電池的組裝50
• 4.2.3 樣品測試50-51
• 4.3 結(jié)果和討論51-58
• 4.3.1 薄膜表面形貌的表征51
• 4.3.2 拉曼譜分析51-52
• 4.3.3 電池的性能52-53
• 4.3.4 紫外-可見吸收光譜53-56
• 4.3.5 表面光電壓譜56-58
• 4.4 本章小結(jié)58-60
• 參考文獻(xiàn)60-63
• 第5章 菱形十二面體BaSnO_3的制備以及其光學(xué)性質(zhì)的研究63-77
• 5.1 引言63-64
• 5.2 實(shí)驗(yàn)和測試64-65
• 5.2.1 樣品的制備64
• 5.2.2 樣品測試64-65
• 5.3 結(jié)果和討論65-72
• 5.3.1 結(jié)構(gòu)和形貌65-67
• 5.3.2 拉曼光譜67-68
• 5.3.3 紅外光譜68
• 5.3.4 紫外－可見吸收光譜68-70
• 5.3.5 PL 譜的分析70-71
• 5.3.6 表面光電壓譜的分析71
• 5.3.7 光催化性能的研究71-72
• 5.4 本章小結(jié)72-73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 碩士其間發(fā)表的論文77-79
• 致謝79

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