PbS量子點及石墨烯復合材料在太陽能電池中的應用研究

【摘要】：摘要：太陽能電池應用前景廣闊,現(xiàn)有太陽能電池存在明顯的缺陷,開發(fā)一種新型太陽能電池材料勢在必行。量子點材料和石墨烯材料具有特殊的光電性能,是太陽能電池新材料的研究熱點。本文以研究PbS量子點材料和石墨烯復合材料在太陽能電池中的應用為出發(fā)點,分別制備了PbS量子點材料、石墨烯材料、石墨烯摻雜二氧化硅復合材料和石墨烯摻雜四氧化三錳復合材料,并系統(tǒng)研究了上述材料在太陽能電池中的應用。 通過化學合成的方法,使反應物通過有機體系溶解成前驅體,混合后瞬間高溫成核生長,然后迅速降溫抑制產(chǎn)物繼續(xù)生長。通過上述實驗過程制備了PbS量子點材料,通過近紅外吸收光譜、XRD、TEM等表征手段證明制備的量子點表面缺陷少,具有明顯的量子尺寸效應和量子限域效應,粒徑分布在5nm左右。將PbS量子點和TiO2納晶薄膜制備成異質結太陽能電池,通過測試組裝的I-V曲線,可知其效率達0.65%,并且用掃描電鏡觀察到所制備的異質結電池結構完整。 以氧化石墨烯(GO)為原料,通過水合肼熱還原法制備出具有氧化還原催化性能的新型碳材料石墨烯(RGO)。并將化學性能非常穩(wěn)定的二氧化硅摻雜入RGO中,制備成RGO/SiO2復合材料。將RGO和RGO/SiO2復合材料用刮涂法制成對電極,通過XRD,XPS,SEM測試手段考察了兩種材料的微觀形貌及增強機制,并用CV,TAFEL,EIS測試方法測試并比較了RGO及RGO/SiO2復合材料對電極的催化能力。將兩種材料應用于染料敏化太陽能電池中,進行進一步的測試,其中采用RGO/SiO2對電極組裝成的電池的光電轉化效率達到4.03%。比較發(fā)現(xiàn),通過摻雜Si02,電池效率提高了37.5%。 將MnO2混合入GO中,加入水合肼,將混合物還原成RGO/Mn3O4復合材料。通過XRD,XPS,FTIR,SEM,TEM,氮氣的吸附和脫附實驗等測試手段確定了RGO/Mn3O4的物相組成和微觀形貌,將不同比例的RGO和Mn3O4制備成RGO/Mn3O4-1、RGO/Mn3O4-2、RGO/Mn3O4-3對電極,并用CV, TAFEL, EIS測試手法比較了三者的催化能力。將三種對電極材料應用于染料敏化太陽能電池中,進行進一步的測試,其中RGO/Mn3O4-2對電極的電池效率最高,為5.90%,RGO/Mn3O4-1次之,RGO/Mn3O4-3最低。所有的實驗過程均在大氣環(huán)境中進行,并且制備成的對電極薄膜在組裝電池時不易脫落,制備方法簡單,具有廣闊的應用前途。 【關鍵詞】：PbS量子點 異質結太陽能電池 石墨烯 染料敏化太陽能電池
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 序10-14
• 第一章 緒論14-33
• 1.1 太陽能電池的工作原理15-16
• 1.2 太陽能電池的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 提高太陽能電池效率的探索18-19
• 1.4 量子點異質結太陽能電池的探索19-23
• 1.4.1 量子點及其性質19-21
• 1.4.2 量子點在太陽能電池中的應用21-23
• 1.5 染料敏化電池的研究進展23-33
• 1.5.1 染料敏化電池的結構及工作原理24-25
• 1.5.2 染料敏化電池工作電極研究現(xiàn)狀25-27
• 1.5.3 染料敏化電池的染料和電解質研究現(xiàn)狀27
• 1.5.4 染料敏化電池的對電極研究現(xiàn)狀27-29
• 1.5.5 石墨烯對電極的研究進展29-33
• 第二章 PbS量子點材料的制備和應用33-45
• 2.1 前言33-35
• 2.2 實驗部分35-39
• 2.2.1 實驗材料35
• 2.2.2 PbS量子點的制備35-37
• 2.2.3 二氧化鈦工作電極的制備37-38
• 2.2.4 PbS量子點異質結太陽能電池的組裝38
• 2.2.5 測試與表征38-39
• 2.3 結果與討論39-43
• 2.3.1 PbS量子點的近紅外吸收光譜39-40
• 2.3.2 PbS量子點的尺寸及形貌40-41
• 2.3.3 PbS量子點的晶體結構分析41
• 2.3.4 PbS量子點在異質結太陽能電池中的應用41-43
• 2.4 本章小結43-45
• 第三章 石墨烯及SiO_2摻雜對電極的制備和應用45-59
• 3.1 引言45-46
• 3.2 實驗部分46-50
• 3.2.1 實驗材料46
• 3.2.2 導電基底的預處理46
• 3.2.3 TiO_2膠體的制備46-47
• 3.2.4 石墨烯對電極的制備47-48
• 3.2.5 二氧化硅摻雜石墨烯對電極的制備48
• 3.2.6 工作電極的制備及DSCs的組裝48-49
• 3.2.7 測試與表征49-50
• 3.3 結果及討論50-57
• 3.3.1 物相分析50-52
• 3.3.2 形貌分析52-53
• 3.3.3 催化性能分析53-56
• 3.3.4 RGO及RGO/SiO_2對電極在DSSCs中的應用56-57
• 3.4 本章小結57-59
• 第四章 Mn_3O_4摻雜石墨烯對電極的制備和應用59-74
• 4.1 引言59-60
• 4.2 實驗部分60-62
• 4.2.1 實驗材料60
• 4.2.2 導電基底的預處理60
• 4.2.3 TiO_2膠體的制備60
• 4.2.4 不同比例的Mn_3O_4摻雜石墨烯對電極的制備60-61
• 4.2.5 工作電極的制備及DSSCs的組裝61
• 4.2.6 測試與表征61-62
• 4.3 結果與討論62-73
• 4.3.1 物相分析62-65
• 4.3.2 表面形貌分析65-68
• 4.3.3 催化性能分析68-71
• 4.3.4 Mn_3O_4摻雜石墨烯對電極在DSSCs中的應用71-73
• 4.4 本章小結73-74
• 第五章 總結與展望74-77
• 5.1 總結74-75
• 5.2 展望75-77
• 參考文獻77-84
• 作者簡歷84-86
• 學位論文數(shù)據(jù)集86

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