稀土发光材料在染料敏化太阳能电池中的性能研究

发布时间：2020-05-23 23:22

【摘要】：太阳能是一种可利用的清洁能源,且分布范围广、储量丰富,因此有巨大的开发应用潜力,而面临化石燃料类能源枯竭的危机,太阳能光伏发电作为一种应用清洁能源的方式,引起了研究者们的极大兴趣。由Gr?tzel M.教授课题组首次提出的染料敏化太阳能电池(DSSC)利用其中的染料分子敏化纳米金属氧化物半导体而实现了光电转换。作为一种新型太阳能电池,DSSC因其原料价格低廉、制备方法简单、绿色环保而被认为是具有良好应用前景和具市场潜力的硅太阳能电池的替代物。辐照到地面的太阳能光谱(AM1.5G)的波长位于紫外光(UV)到红外光(IR)区内(200 2500 nm)。由于DSSC中光阳极的禁带宽度限制其吸光范围,且钌基多吡啶类染料吸光范围主要在可见光波段,其余太阳光没有被有效利用。此外,紫外线对染料具有降解作用,降低电池的稳定性。因此如何利用上、下转换发光材料将IR或UV转换为染料可以吸收利用的光,对于提高光电转换效率(PCE)和提高DSSC稳定性尤为重要。但目前研究者们主要将稀土发光离子掺杂在光阳极中,鲜少有将其掺杂在致密层中的报道。动力学研究表明,导电基底(如FTO导电玻璃)与电解液中的I_3~-发生电子复合的速率很快,且快于TiO_2与I_3~-发生反应的速率,因此抑制导电基底与I_3~-间发生的电子复合反应可以有效提升DSSC的性能。此外,为了提高光散射能力,增大光的传播路径,研究者们将特定形貌与尺寸的稀土发光材料作为散射层应用在DSSCs中。本文具体工作如下所述:(1)第一部分采用操作简便的旋涂法设计并制备了稀土氟化镱铕(YbF_3:Eu~(3+))掺杂的SnO_2多功能致密单层(SnO_2 CSL),并将其应用于DSSC中。组装有SnO_2/YbF_3:Eu~(3+)CSL的DSSC与未组装有CSL的DSSC相比,长期稳定性和PCE均有提高。长期稳定性的提高是由于SnO_2/YbF_3:Eu~(3+)CSL可以将UV光转换为可见光从而抑制染料的降解。PCE的提高则是由于电子复合速率的减小,电池对短波数光区响应的增强,以及CSL的高透光性能。(2)为了进一步提高DSSC的光电转换效率,我们将SnO_2/YbF_3:Er~(3+)(SYEr)叠加在SnO_2/YbF_3:Eu~(3+)(SYEu)上,构成一种多功能的SnO_2/YbF_3:Eu~(3+)//SnO_2/YbF_3:Er~(3+)致密双层(SYEu/SYEr CBL)。同理,该CBL可以抑制电子回传。而且,SnO_2基质与转换光的部分YbF_3:Eu~(3+)(YEu)和YbF_3:Er~(3+)(YEr)共同构成的发光材料体系使DSSC的PCE进一步提高。此外,这种通过改变稀土掺杂种类从而实现上/下转换功能的方法可以广泛应用于光伏器件,它为有效拓宽电池对太阳光的光谱响应范围提供了可能性。(3)第三部分采用TEOS水解法对YF_3:Yb~(3+),Er~(3+)(YFYE)进行包覆,并结合Ag NPs,成功合成了具有上转换与散射功能的多功能大尺寸的YF_3:Yb~(3+),Er~(3+)/Ag@SiO_2(YFYE/Ag@SiO_2)核壳结构纳米粒子。我们探究了不同掺杂比例的壳层与SPR效应对增强荧光的作用。研究表明SiO_2的包覆使YFYE之间的荧光猝灭效应减弱,而Ag NPs可以增强荧光。此外,DSSC性能的提升是由于粒子粒径大造成的散射效应。
【图文】：

工作原理图,价带,位置

图 1.1 DSSC 的工作原理图[1]. 1.1 Schematic of operation of the dye-sensitized electrochemical photovol图 1.2 不同半导体的价带位置（pH=1）[1]and positions of several semiconductors in contact with aqueous electrolyte

价带,位置,光阳极,染料敏化剂

2图 1.2 不同半导体的价带位置（pH=1）[1] positions of several semiconductors in contact with aqueous electr阳极研究进展C 光阳极的研究，，主要集中在锐钛矿型 TiO2、ZnO、极材料应具备以下三个条件：1、光阳极材料中半导体带能级；2、要有足够大的比表面来吸附染料敏化剂；电子可以在光阳极多孔薄膜中快速传输[2-4]。能带结构一般由价带和导带组成。被束缚的电子从价带量称为半导体的禁带宽度（Energy band-gap，Eg）。根
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】