基于TiO_2納米線陣列結構的染料/半導體敏化太陽能電池研究

【摘要】：一維TiO_2納米結構因其優(yōu)異的光生電荷分離與輸運性質和卓越的化學穩(wěn)定性在太陽能轉換與利用領域受到廣泛關注。特別是TiO_2單晶納米線陣列的制備與光電轉換應用是近年來國內外研究的熱點。本文以染料/半導體敏化TiO_2納米線太陽能電池為研究對象，從TiO_2納米線的可控制備、納米線-納米粒子復合結構增強光吸收和電荷分離、無序空腔散射層增強光利用、和構造半導體敏化固態(tài)電池等方面開展研究，探索利用TiO_2納米線陣列實現高效率太陽能光電轉換的途徑。具體研究概述如下： 以鈦酸納米片作為晶種層，在SnO_2:F (FTO)導電玻璃等多種襯底表面實現TiO_2納米線陣列的水熱法制備，解決了TiO_2納米線的生長對襯底的依賴性問題。研究表明，鈦酸納米片晶種層的引入能夠抑制納米線在FTO上生長過程中的簇集，顯著增大納米線陣列的粗糙度；另一方面納米片層還能夠覆蓋裸露的FTO電極，作為阻擋層抑制I3-電解質在FTO表面的還原。以N719染料敏化納米線陣列制備敏化太陽能電池，在AM1.5模擬太陽光下，采用納米片晶種層的TiO_2納米線陣列相比直接生長在FTO表面的納米線陣列制備的電池在短路電流、開路電壓和填充因子等方面均有提高，總體太陽能光電轉換效率提高約3.4倍。 為提高納米線電極的光捕獲效率，進一步制備了TiO_2金紅石納米線和銳鈦礦納米粒子復合結構。以1.4微米厚度的納米線/納米粒子復合結構作為光陽極，制備染料敏化太陽能電池器件。在AM1.5G模擬太陽光激發(fā)下，器件的光電轉換效率達到3.8%，分別是納米線器件的2.2倍，和納米粒子器件的1.5倍。穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)吸收光譜和開路光電壓衰減動力學研究表明，金紅石納米線和銳鈦礦納米粒子在光電轉換過程中發(fā)揮著協同促進作用：一方面納米粒子的引入提高了復合結構的光捕獲效率，另一方面金紅石-銳鈦礦異質結能夠抑制TiO_2/電解液界面和TiO_2/N719界面的電荷復合，從而提高光生電子的收集效率。 為提高TiO_2金紅石納米線和銳鈦礦納米粒子復合結構的光捕獲效率，進一步在納米線復合結構上構造具有無序空腔（空腔尺寸為200nm或450nm）結構的TiO_2納米粒子散射層。在AM1.5G模擬太陽光激發(fā)下，染料敏化太陽能電池光電轉換效率從2.62%提高到3.47%（200nm空腔）和4.07%（450nm空腔）。透過/反射光譜表征以及光電流活性譜研究表明，多孔薄膜中的空腔結構是有效的光散射中心，特別是在580-700nm波長范圍內散射效果明顯，從而提高了染料分子對入射光的利用效率，顯著提高器件的短路光電流和光電轉換效率。 為克服染料單分子層光吸收能力不足和使用液體電解質帶來的器件不穩(wěn)定性問題，以Sb2S3直接帶隙半導體為敏化層，p-型CuI為空穴導體，制備了TiO_2納米線/Sb2S3/CuI/Au全固態(tài)半導體敏化太陽能電池。在AM1.5G模擬太陽光激發(fā)下，器件光電轉換效率達到1.2%。IPCE測試表明器件響應閾值波長為750nm，與Sb2S3帶隙一致，峰值效率達到64%，優(yōu)于染料敏化體系。但是由于固態(tài)器件內部嚴重的界面復合，其暗態(tài)電流大大高于染料敏化電池，導致器件的開路電壓和填充因子偏低，僅為0.3V和42%，限制其光電轉換效率。進一步采用合理的界面工程手段抑制界面復合是提高半導體敏化固態(tài)太陽能電池性能的關鍵。 【關鍵詞】：太陽能電池 TiO_2納米線陣列 染料/半導體敏化 界面電荷分離 異質結 光吸收
【學位授予單位】：東北師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 引言12-59
• 1.1 太陽能輻射及利用現狀12-15
• 1.1.1 太陽能輻射12-13
• 1.1.2 太陽能輻射利用現狀13-15
• 1.2 太陽能電池的發(fā)展及研究現狀15-35
• 1.2.1 太陽能電池的特性15-20
• 1.2.2 太陽能電池的理論轉換效率20-22
• 1.2.3 太陽能電池的發(fā)展歷史和研究現狀22-29
• 1.2.4 敏化太陽能電池的研究現狀29-35
• 1.3 TiO_2納米結構材料的研究進展35-44
• 1.3.1 TiO_2材料的基本性質簡介35-36
• 1.3.2 TiO_2納米結構材料的研究現狀36-37
• 1.3.3 一維 TiO_2納米結構材料的研究進展37-44
• 1.4 本論文的選題依據及主要研究內容44-46
• 參考文獻46-59
• 第二章 一維 TiO_2納米線陣列的模板生長及其染料敏化太陽能電池研究59-71
• 2.1 引言59-60
• 2.2 TiO_2納米線陣列的模板生長60-65
• 2.2.1 實驗部分60-61
• 2.2.2 結構表征61-62
• 2.2.3 納米線陣列的模板生長機理研究62-65
• 2.3 模板生長 TiO_2納米線陣列染料敏化太陽能電池研究65-67
• 2.3.1 染料敏化太陽能電池的制備65
• 2.3.2 染料敏化太陽能電池性能研究65-67
• 2.4 本章小結67-68
• 參考文獻68-71
• 第三章 TiO_2納米線和納米粒子復合結構電極及其染料敏化太陽能電池研究71-87
• 3.1 引言71-72
• 3.2 TiO_2納米線與納米粒子復合結構電極制備及表征72-75
• 3.2.1 實驗部分72-73
• 3.2.2 結構表征73-74
• 3.2.3 光譜表征74-75
• 3.3 TiO_2納米線與納米粒子復合結構染料敏化太陽能電池研究75-77
• 3.3.1 染料敏化太陽能電池的制備75
• 3.3.2 染料敏化太陽能電池的量子效率（IPCE）75-76
• 3.3.3 染料敏化太陽能電池性能76-77
• 3.4 TiO_2納米線與納米粒子復合結構染料敏化太陽能電池界面動力學研究77-80
• 3.4.1 開路光電壓衰減技術77-79
• 3.4.2 瞬態(tài)吸收光譜技術79-80
• 3.5 本章小結80-82
• 參考文獻82-87
• 第四章 TiO_2納米線/納米粒子/多孔 TiO_2納米粒子薄膜結構光電轉換性能研究87-96
• 4.1 引言87-88
• 4.2 TiO_2納米線/納米粒子/TiO_2納米粒子多孔薄膜結構制備及表征88-91
• 4.2.1 實驗部分88-89
• 4.2.2 結構表征89
• 4.2.3 光譜表征89-91
• 4.3 TiO_2納米線/納米粒子/TiO_2納米粒子多孔薄膜結構光電轉換性能研究91-93
• 4.3.1 染料敏化太陽能電池的制備91
• 4.3.2 染料敏化太陽能電池性能91-93
• 4.4 本章小結93-94
• 參考文獻94-96
• 第五章 TiO_2納米線/硫化銻（Sb2S3）/CuI 固態(tài)太陽能電池的制備及性能研究96-113
• 5.1 引言96-97
• 5.2 TiO_2納米線/ Sb2S3/CuI 固態(tài)太陽能電池制備及表征97-102
• 5.2.1 實驗部分97-98
• 5.2.2 結構表征98-102
• 5.2.3 TiO_2納米線/ Sb2S3/CuI 固態(tài)太陽能電池的制備102
• 5.3 TiO_2納米線/ Sb2S3/CuI 固態(tài)太陽能電池光電轉換性能研究102-107
• 5.3.1 TiO_2納米線/ Sb2S3/CuI 固態(tài)太陽能電池的光電流轉換效率102-103
• 5.3.2 TiO_2納米線/ Sb2S3/CuI 固態(tài)太陽能電池的 I-V 曲線及性能參數103-104
• 5.3.3 TiO_2納米線/ Sb2S3/CuI 固態(tài)太陽能電池的界面分析104-107
• 5.4 本章小結107-109
• 參考文獻109-113
• 第六章 總結113-115
• 致謝115-116
• 在學期間公開發(fā)表論文及參加學術會議情況116-118

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