纳米金与微球散射优化的新型太阳能电池的研究

发布时间：2020-07-22 17:40

【摘要】：寻找和利用清洁可再生能源是本世纪人类需要解决的重大任务之一。太阳能是极具竞争力的清洁可再生能源。以染料敏化太阳能电池(DSSC)和钙钛矿太阳能电池(PSC)为代表的新型太阳能电池为缓解人类所面临的能源问题带来新的希望与契机。本文通过掺杂改性和结构优化将纳米功能材料引入DSSC光阳极中,以增强DSSC的性能。同时在DSSC的研究基础上对PSC进行了初步探索。具体内容概括如下:1)制备了分层级TiO2微球(TMS)掺杂的复合光阳极薄膜,并组装成新型DSSC。研究了不同TMS浓度及其梯度结构对光阳极和电池性能的影响。研究发现,当TMS的掺量为33 wt%时,电池性能达到最优效果。其中最大短路电流密度(Jsc)为14.90 mA·cm2,最大转换效率(PCE)为6.57%。在TMS微球的总体浓度为最佳掺杂的情况下,设计了多种不同梯度结构的多层光阳极。结果表明:采用最优化浓度梯度上升的多层光阳极的DSSC获得了最大的Jsc和PCE,分别为16.49 mA·cm2和7.01%,比采用均匀多层光阳极的DSSC分别提高了 10.7%和6.7%,而比传统未掺入TMS的DSSC分别提高了 21.8%和21.1%。DSSC性能显著提高的主要原因是:光阳极中,散射微球的最优化浓度梯度上升和多层排布结构增加了染料的吸附量,同时微球散射可将入射光最大限度地局域在光阳极膜中,从而显著提高入射光的利用率以及 DSSC 的 Jsc 和 PCE。2)合成了 AuNPs镶嵌的类三明治双球壳结构的Si02@Au@Ti02(SAT)微球。将SAT以不同的浓度掺入光阳极薄膜中,形成SAT掺杂的复合结构的光阳极。研究表明,SAT复合结构不仅显著提高了入射光的散射和捕获能力,而且增加了载流子的寿命。当SAT微球掺量为2.25 wt%时,DSSC的Jsc和PCE达到最大值,分别为17.0mA·cm-2和7.14%,与传统纯TiO2光阳极的DSSC相比,分别提高了15.7%和21.2%。这一明显提高可归因于AuNPs的LSPR增加了光吸收和光生载流子,同时SAT微球良好的光散射与反射作用提高了入射光捕获率。这体现了双球壳微球的散射和AuNPs的LSPR的协同互补效果。3)在TMS掺杂浓度和结构优化的研究基础上,将上述双球壳结构的SAT微球引入DSSC光阳极的梯度结构中。结果表明SAT微球的上升浓度梯度分布显著增强了入射光在光阳极中的散射和光捕获能力。采用最优化SAT梯度上升结构的光阳极的DSSC具有最大Jsc为17.7 mA·cm-2,最大PCE为7.75%,比传统DSSC分别提高了 23.7%和28.0%。其主要原因包括:SAT微球良好的光散射/反射作用可有效增加入射光光程,以便提高光捕获能力;AuNPs的LSPR效应能够增强光的吸收,并产生更多的光生载流子;浓度梯度上升的SAT微球分布促使入射光在光阳极膜中受到不断的增强和充分的散射,并将入射光最大限度地局域在光阳极内部而被染料最大程度地吸收并转换为光生电子。4)基于DSSC的研究思路,在介孔层中引入Au纳米棒核-壳结构(AuNRs@Si02),以改善PSC的光吸收特性。初步研究了不同AuNRs@Si02浓度对碳基无空穴传输层PSC性能的影响。研究结果表明:PSC的Jsc、开路电压(Voc)和PCE均随着AuNRs含量的增加而呈现出先增大后减小的规律性变化。其中包含3.0%AuNRs@SiO2 的 PSC 的 PCE、Jsc 和 Voc 分别达到了 13.02%、21.05 mA·cm-2 和 970 mV的最大值,比未掺入AuNRs@Si02的传统PSC分别提高了 26%、14.4%和3%。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

的消耗速率。目前，全世界化石燃料的存储量预计为：石油可维持４０年，天然气逡逑可维持６０年，煤炭可维持２００年［２］。另外，美国能源信息局预测，世界能源需求将逡逑从目前的１４邋ＴＷ增长到２０５０年的２５？３０邋ＴＷ［３］，如图１．１所示。除了能源需求外，逡逑化石燃料的燃烧排放造成了环境污染和温室效应。为此，诺贝尔奖获得者Ｓｍａｌｌｅｙ逡逑提出，能源和环境问题将是下一个５０年的首要挑战Ｗ。逡逑Ｉｎ邋２０５０：２５－３０邋ＴＷ逡逑逦逦逦逦邋？节逡逑ｘ逦Ｔｏｔａｌ逡逑Ｉ邋１５逦逦逡逑５邋—逡逑１９７０逦１９９０逦２０１０逦２０３０逡逑Ｙｅａｒ逡逑图１．１美国能源局预测世界能源需求［３］逡逑４逡逑

１．２．１太阳能及其利用方式逡逑由上述可知，化石燃料导致的一系列的能源危机、环境污染、人类健康等问题逡逑给人类敲响了警钟。而我国作为能源消耗大国（图１．２），更亟需廉价、丰富、清洁、逡逑可再生的新型能源。在过去的十年中，由于世界对能源的需求不断增加，可再生能逡逑源成为公众关注的重心。在这些可再生能源中，太阳能价格低廉、无污染、取之不逡逑尽，具有广阔的发展前景。逡逑５０逦能源消费总量（万吨标准煤／年）邋逦同比X椝佟福玻埃ュ义

本文编号：2766131