稀土材料應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池的研究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池相比具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)，例如：原材料豐富、成本低、制備工藝簡(jiǎn)單，可制備柔性器件等。但是由于染料敏化太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)范圍窄，與太陽(yáng)光譜不匹配，使得染料敏化太陽(yáng)能電池的效率依然比較低，這極大限制了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。作為電池核心組成部分的染料光敏化劑，吸收光譜的長(zhǎng)波限一般都不超過(guò)750nm，而太陽(yáng)光譜中有55%-60%分布于800nm-2400nm的近紅外區(qū)域，所以要想從根本上提高染料敏化太陽(yáng)能電池的效率就必須拓展電池的光譜響應(yīng)范圍。利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料將近紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光以及開(kāi)發(fā)新的紅外染料是拓展光譜響應(yīng)范圍的兩種有效方法。目前，公認(rèn)的效率最高的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料當(dāng)屬β-NaYF4:Yb3+,Er3+，但是其4f-4f躍遷窄帶發(fā)光還是相對(duì)較弱，所以研究具有超強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)射的新型發(fā)光材料是非常必要的。染料敏化太陽(yáng)能電池中染料分子必須要與被吸附的納米半導(dǎo)體相匹配才能實(shí)現(xiàn)有效的電荷分離，所以研究新的半導(dǎo)體材料具有重要意義，并且對(duì)于以后新的紅外染料的開(kāi)發(fā)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)以上兩點(diǎn)，本論文從尋找適合于染料敏化太陽(yáng)能電池的新型超強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料和新半導(dǎo)體材料出發(fā)，研究了以下主要內(nèi)容： (1)系統(tǒng)研究了Yb2O3材料的超強(qiáng)白光上轉(zhuǎn)換發(fā)射，利用980nm激光作為激發(fā)光，對(duì)比研究了Yb2O3和β-NaYF4:Yb3+,Er3+在不同激發(fā)光功率密度激發(fā)下發(fā)射光譜的變化，發(fā)現(xiàn)在高功率密度激發(fā)下Yb2O3表現(xiàn)出超強(qiáng)的上轉(zhuǎn)換白光發(fā)射，其發(fā)射光積分強(qiáng)度比在同條件下β-NaYF4:Yb3+,Er3+的要強(qiáng)近一個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)對(duì)樣品溫度的研究，發(fā)現(xiàn)Yb2O3的白光發(fā)射的來(lái)源并不是黑體輻射，為此提出了新的發(fā)光機(jī)理模型，認(rèn)為Yb2O3的白光發(fā)射來(lái)源于激發(fā)態(tài)Yb3+-Yb3+電子與價(jià)帶中空穴的復(fù)合。最后分別將Yb2O3和β-NaYF4:Yb3+,Er3+作為光轉(zhuǎn)換層應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池，研究了兩種器件在980nm激光激發(fā)下的I-V特性，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率密度的增加，基于Yb2O3的電池效率的增加速率要高于NaYF4器件，激光功率密度為4.737W/mm2時(shí)，Yb2O3器件效率約為NaYF4器件2.4倍。 (2)使用靜電紡絲的方法制備了In2O3納米管，通過(guò)稀土離子的摻雜成功的對(duì)In2O3納米管的帶隙進(jìn)行了調(diào)節(jié)，并將其作為陽(yáng)極半導(dǎo)體材料制備了In2O3基染料敏化太陽(yáng)能電池，發(fā)現(xiàn)稀土離子摻雜能夠使染料敏化太陽(yáng)能電池的效率得到明顯提高，通過(guò)對(duì)器件電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電池效率提高的主要原因是稀土離子的摻雜抑制了In2O3中傳輸?shù)碾娮优c激發(fā)態(tài)染料以及電解質(zhì)之間的復(fù)合。最終發(fā)現(xiàn)，摻雜Er3+離子的電池效率達(dá)到1.447%，與純的In2O3電池相比提高了近3倍，是目前In2O3基染料敏化太陽(yáng)能電池的最高效率。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 上轉(zhuǎn)換 稀土摻雜 In2O3 靜電紡絲 納米管
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-26
• 1.1 太陽(yáng)能電池概述10-17
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介17-22
• 1.3 目前染料敏化太陽(yáng)能電池存在的主要問(wèn)題22-24
• 1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容及意義24-26
• 第二章 染料敏化太陽(yáng)能電池的性能表征26-34
• 2.1 伏安特性（I-V）曲線(xiàn)表征26-28
• 2.2 暗電流的測(cè)試28
• 2.3 量子效率28-30
• 2.4 電化學(xué)阻抗譜（EIS）30-32
• 2.5 調(diào)制光電流/光電壓譜（IMPS/IMVS）32-34
• 第三章 具有超強(qiáng)白光發(fā)射的 Yb_2O_3的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理研究34-44
• 3.1 引言34-35
• 3.2 材料與設(shè)備35
• 3.3 空氣中 Yb_2O_3的發(fā)射光譜隨激光功率密度的變化關(guān)系35-37
• 3.4 發(fā)射光譜積分強(qiáng)度與激發(fā)光功率密度的函數(shù)關(guān)系37-39
• 3.5 樣品溫度與激發(fā)光功率密度的依賴(lài)關(guān)系39-40
• 3.6 Yb_2O_3超強(qiáng)白光發(fā)射的機(jī)理分析40-42
• 3.7 小結(jié)42-44
• 第四章 Yb_2O_3作為光轉(zhuǎn)換層應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池的研究44-56
• 4.1 引言44-46
• 4.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的制備46-48
• 4.3 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下無(wú)上轉(zhuǎn)換材料電池的 I-V 特性測(cè)試48-49
• 4.4 在 980nm 激光激發(fā)下兩種器件的 I-V 特性對(duì)比測(cè)試49-54
• 4.5 小結(jié)54-56
• 第五章 稀土摻雜 In_2O_3納米管的制備及其對(duì) In_2O_3基染料敏化太陽(yáng)能電池性能提高的研究56-74
• 5.1 引言56-57
• 5.2 材料與設(shè)備57-58
• 5.3 In_2O_3:RE~(3+)納米管的合成與電池的制備過(guò)程58-59
• 5.3.1 靜電紡絲法制備 In_2O_3:RE~(3+)納米管58-59
• 5.3.2 In_2O_3基染料敏化太陽(yáng)能電池的制備59
• 5.4 In_2O_3:RE~(3+)納米管的形貌與結(jié)構(gòu)表征59-63
• 5.5 稀土摻雜對(duì) In_2O_3基染料敏化太陽(yáng)能電池性能的提高63-72
• 5.5.1 稀土摻雜對(duì)電池 I-V 特性的影響63-66
• 5.5.2 稀土摻雜對(duì)電池的電化學(xué)阻抗譜(EIS)影響的研究66-70
• 5.5.3 稀土摻雜對(duì)提高電池開(kāi)路電壓的分析70-71
• 5.5.4 稀土摻雜對(duì)電池量子效率的提高71-72
• 5.6 小結(jié)72-74
• 第六章 結(jié)論與展望74-76
• 參考文獻(xiàn)76-98
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間取得的科研成果98-100
• 致謝100

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