ZnO/TiO_2基染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

【摘要】：隨著環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)的急劇加重,人們對(duì)清潔能源的關(guān)注越來(lái)越多。太陽(yáng)能是一種儲(chǔ)量豐富的清潔能源,合理的開發(fā)和利用太陽(yáng)能將會(huì)大大地改善人們的生活。目前使用最多的太陽(yáng)能電池是硅基太陽(yáng)能電池。雖然這種電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率,但是其制備工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴。作為太陽(yáng)能電池的一種,染料敏化太陽(yáng)能電池具有廉價(jià)、穩(wěn)定、高效、容易制作等優(yōu)點(diǎn),因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。為了能夠進(jìn)一步地提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,世界各地的科學(xué)家們都做出了很大的努力。染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)其光電轉(zhuǎn)換效率有很大影響。納米技術(shù)的發(fā)展為納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打開了一扇大門。有目的改變納米材料的結(jié)構(gòu)是一種提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要手段。光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的比表面積、電子傳輸性能以及光散射性能等因素與電池的光電轉(zhuǎn)換效率有著很大的關(guān)系。合理的設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu),可以使電池具有優(yōu)秀的光電轉(zhuǎn)換性能。本論文,旨在用有效、簡(jiǎn)單的方法,設(shè)計(jì)并開發(fā)出具有不同特點(diǎn)的電極結(jié)構(gòu)來(lái)提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本文實(shí)現(xiàn)了在FTO導(dǎo)電基底上超長(zhǎng)ZnO納米線陣列、核殼結(jié)構(gòu)以及基于ZnO/TiO2材料為基礎(chǔ)的復(fù)合結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計(jì)與制備,并探討了不同光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的可控合成、相關(guān)性質(zhì)及其對(duì)電池性能影響,充分展示了光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性,為合成新型電極結(jié)構(gòu)提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：(1)一維超長(zhǎng)ZnO納米線的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用利用簡(jiǎn)單的水熱方法,實(shí)現(xiàn)了在FTO導(dǎo)電基底上合成大面積超長(zhǎng)ZnO納米線陣列。探究了氨水濃度、鋅鹽種類以及更換反應(yīng)溶液等因素對(duì)納米線陣列的形貌影響。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件,得到了不同長(zhǎng)度的納米線陣列。值得強(qiáng)調(diào)的是,實(shí)驗(yàn)中僅通過(guò)更新一次反應(yīng)溶液,就得到了24μm的ZnO納米線陣列。研究了不同長(zhǎng)度ZnO納米線陣列作為光陽(yáng)極,染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,納米線的長(zhǎng)度對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率有著非常重要的影響。隨著納米線陣列長(zhǎng)度的增加,電池的光電轉(zhuǎn)換效率逐步提升。(2) ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用基于上面ZnO納米線陣列的研究,以不同長(zhǎng)度ZnO納米線為前驅(qū)體,以溶解在乙醇溶液中的鈦酸丁酯為鈦源,采取簡(jiǎn)單的“快速浸漬”辦法,成功在FTO導(dǎo)電基底上制備ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)。有效的解決了ZnO在酸性染料中不穩(wěn)定的問(wèn)題。將不同長(zhǎng)度ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)作為光陽(yáng)極,應(yīng)用到染料敏化太陽(yáng)能電池上。結(jié)果表明,TiO2殼的包覆和納米線的長(zhǎng)度對(duì)提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率有非常重要的作用。特別是當(dāng)陣列的長(zhǎng)度達(dá)到14μm時(shí),ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)3.80%。這個(gè)值是相同長(zhǎng)度ZnO納米線陣列的2.6倍。(3) ZnO/TiO2復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)薄膜的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用設(shè)計(jì)了取向TiO2納米棒陣列與交錯(cuò)排布的ZnO納米短棒的復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)薄膜。通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)成功制備了TiO2納米棒陣列。然后通過(guò)熱蒸發(fā)的方法,在TiO2納米棒陣列上層形成ZnO納米短棒薄膜層,實(shí)現(xiàn)了ZnO/TiO2復(fù)合薄膜的制備。非常有趣的是,在熱蒸發(fā)的過(guò)程中,相鄰TiO2納米棒之間的空間也被很好的利用,在TiO2納米棒間嵌入了大量ZnO納米顆粒。實(shí)驗(yàn)中以ZnO/TiO2復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)薄膜為光陽(yáng)極,組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池。測(cè)試結(jié)果表明,TiO2納米棒陣列與ZnO納米短棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到4.36%。這個(gè)值明顯的高于單純ZnO納米短棒薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率(3.10%)。復(fù)合結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換效率提升歸結(jié)于TiO2納米棒與ZnO納米短棒的協(xié)同作用。在復(fù)合結(jié)構(gòu)中,頂層的ZnO納米短棒提供了大的比表面積來(lái)吸附染料。底層的TiO2納米棒不但作為直接的電子傳輸通道使得電子能快速轉(zhuǎn)移,而且還具有阻擋層的作用,阻礙了電解液與導(dǎo)電玻璃的直接接觸,減少了電子復(fù)合。(4) ZnO/ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用在ZnO/TiO2復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)電極材料進(jìn)行進(jìn)一步改良,設(shè)計(jì)了ZnO/ZnO復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)薄膜。ZnO/ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)包括兩部分：取向的ZnO納米線陣列作為底層,以交錯(cuò)排布的ZnO納米短棒為頂層。復(fù)合結(jié)構(gòu)兼具大的比表面積,快速的電子轉(zhuǎn)移能力,卓越的光散射性能等優(yōu)點(diǎn),非常適合應(yīng)用為染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極材料。以這種復(fù)合結(jié)構(gòu)作為染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極,經(jīng)過(guò)測(cè)試,復(fù)合結(jié)構(gòu)確實(shí)表現(xiàn)出出色的光電轉(zhuǎn)換性能,其光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到5.16%。這個(gè)值明顯地高于同樣長(zhǎng)度的ZnO納米線陣列(1.45%)和交錯(cuò)排布的ZnO納米短棒薄膜(3.31%)的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明,復(fù)合結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計(jì)在提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率上具有一定的優(yōu)越性。(5)TiO2納米棒與P25膜復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用為了能夠優(yōu)化染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,設(shè)計(jì)了一種新穎、有效的復(fù)合結(jié)構(gòu)電極。復(fù)合結(jié)構(gòu)由P25納米顆粒薄膜和嵌插在P25膜內(nèi)及表面的TiO2納米短棒組成。P25膜內(nèi)的TiO2納米短棒像一張網(wǎng)一樣連接著不同地方的P25顆粒。P25膜表面上,TiO2納米短棒呈現(xiàn)陣列結(jié)構(gòu),在一定程度上可以增加電池的光捕獲能力。實(shí)驗(yàn)中采用涂刮法和水熱方法,在FTO導(dǎo)電基底上,實(shí)現(xiàn)了這種有趣的復(fù)合薄膜的制備。將P25/TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用在染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極上。研究發(fā)現(xiàn),P25/TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)具有非常優(yōu)秀的光電轉(zhuǎn)換性能。在AM1.5100mW/cm2的光強(qiáng)下,P25/TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到8.62%,遠(yuǎn)大于P25膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率(6.12%)。這部分工作充分說(shuō)明了,合理的設(shè)計(jì)光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要性。 【關(guān)鍵詞】：納米材料 納米線陣列 核殼 復(fù)合結(jié)構(gòu) 染料敏化太陽(yáng)能電池
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-47
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太陽(yáng)能電池的發(fā)展與現(xiàn)狀13-18
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池介紹18-24
• 1.3.1 染料敏化太陽(yáng)能電池性能參數(shù)介紹20-21
• 1.3.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的染料、電解質(zhì)及對(duì)電極的研究概況21-24
• 1.4 應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極上的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24-40
• 1.4.1 基于零維納米顆粒半導(dǎo)體氧化物電極的設(shè)計(jì)25-27
• 1.4.2 基于一維納米線/管半導(dǎo)體氧化物電極的設(shè)計(jì)27-32
• 1.4.3 基于半導(dǎo)體氧化物核殼結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計(jì)32-35
• 1.4.4 基于一維結(jié)構(gòu)和納米顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)電極的設(shè)計(jì)35-37
• 1.4.5 其它結(jié)構(gòu)化電極的設(shè)計(jì)37-40
• 1.5 本論文研究的主要內(nèi)容以及創(chuàng)新點(diǎn)40-42
• 參考文獻(xiàn)42-47
• 第二章 超長(zhǎng)ZnO納米線的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用47-62
• 2.1 引言47-48
• 2.2 超長(zhǎng)ZnO納米線的制備與表征48-50
• 2.2.1 試劑與儀器48-49
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法49-50
• 2.2.3 電池組裝50
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析50-57
• 2.4 超長(zhǎng)ZnO納米線在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用57-58
• 2.5 本章小結(jié)58-60
• 參考文獻(xiàn)60-62
• 第三章 ZnO@-TiO_2核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用62-76
• 3.1 引言62-63
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分63-65
• 3.2.1 試劑和儀器63
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法63-64
• 3.2.3 電池組裝64-65
• 3.3 ZnO@-TiO_2核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列的表征與分析65-69
• 3.4 ZnO@-TiO_2核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用69-72
• 3.5 本章小結(jié)72-74
• 參考文獻(xiàn)74-76
• 第四章 ZnO/TiO_2復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)薄膜的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用76-93
• 4.1 引言76-78
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分78-80
• 4.2.1 試劑和儀器78
• 4.2.2 樣品制備78-79
• 4.2.3 電池組裝79-80
• 4.3 ZnO/TiO_2復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)的表征與分析80-84
• 4.4 ZnO/TiO_2復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換性能的研究84-90
• 4.5 本章小結(jié)90-91
• 參考文獻(xiàn)91-93
• 第五章 ZnO/ZnO復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)薄膜的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用93-108
• 5.1 引言93-94
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分94-96
• 5.2.1 試劑與儀器94-95
• 5.2.2 樣品制備95
• 5.2.3 電池組裝95-96
• 5.3 ZnO/ZnO復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)薄膜的表征96-100
• 5.4 ZnO/ZnO復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)電極在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究100-105
• 5.5 本章小結(jié)105-106
• 參考文獻(xiàn)106-108
• 第六章 TiO_2納米棒與P25復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用108-126
• 6.1 引言108-109
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分109-112
• 6.2.1 試劑材料與儀器109-110
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)方法110-111
• 6.2.3 電池組裝與測(cè)試111-112
• 6.3 TiO_2納米棒與P25復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的表征112-116
• 6.4 TiO_2納米棒與P25復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜光電轉(zhuǎn)換性能的研究116-122
• 6.5 本章小結(jié)122-124
• 參考文獻(xiàn)124-126
• 第七章 工作總結(jié)與展望126-129
• 7.1 總結(jié)126-127
• 7.2 展望127-129
• 攻讀學(xué)位期間的科研情況129-131
• 致謝131

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