基于ZnO纳米棒的敏化太阳电池光阳极的制备及光电性能研究

发布时间：2017-10-10 22:17

  本文关键词：基于ZnO纳米棒的敏化太阳电池光阳极的制备及光电性能研究

  更多相关文章： ZnO NRs Ag NPs TiO_2 NPs 敏化太阳电池

【摘要】：随着能源短缺问题的日益严重,太阳能作为一种可再生的清洁能源得到研究者们的广泛关注。而太阳电池是一种将太阳能直接转化为电能的光伏器件,包括硅基太阳电池,薄膜太阳电池以及敏化太阳电池等。近年来,和硅基太阳电池相比,敏化太阳电池[包括染料敏化太阳电池(DSSCs)以及量子点敏化太阳电池(QDSSCs)]由于生产成本低廉,制备工艺简单等从而得到广泛的研究。敏化太阳电池主要由光阳极,电解液和对电极三部分组成,其中光阳极不仅是电子传输载体,也是光敏化剂的吸收载体,因而成为影响太阳电池光电转化效率的重要因素。本文从增加电极对光的吸收以及加快电子传输,减少电子复合等方面入手,首先,在ZnO纳米棒(ZnO NRs)的基础上,探究了贵金属Ag纳米颗粒(Ag NPs)含量对电池光电性能的影响;另外,对比单独TiO_2纳米颗粒(TiO_2 NPs)太阳电池,研究了不同含量嵌入式生长的ZnO NRs对TiO_2 NPs/ZnO NRs复合结构薄膜基础上的太阳电池性能影响,同时,在TiO_2 NPs结构的基础上,研究了不同ZnO NRs散射层厚度对电池性能的影响,具体结果如下:1.采用水热法在FTO上生长尺寸均一的ZnO NRs,随后以AgNO3溶液为前驱体,采用紫外光辅助还原法制备了不同Ag含量的ZnO NRs/Ag NPs复合结构光阳极薄膜,最后将其进行CdS量子点敏化以及N719染料敏化,探究Ag含量对复合结构光阳极的光吸收性能以及电子传输性能的影响。结果表明,电池效率随着Ag含量的增多呈现出了先增大后减小的趋势,在AgNO3为1.0 mM时达到最大,分别为2.63%和2.96%。当硝酸银浓度不超过1.0 mM时,一方面Ag的加入可以提高薄膜的比表面积,从而增加敏化剂的吸附量,另一方面Ag具有表面等离子体共振效应(SPR),可以增强其周围电场强度,从而增加敏化剂对光的吸收,最终提高电池的光捕获效率,另外,Ag/Zn O界面形成肖特基能垒,有利于电子-空穴的快速分离,减少电子复合,提高电池的电子收集效率。然而,Ag含量过多时,一方面部分Ag团聚在一起,破坏Ag/ZnO结构的完整性,另一方面部分Ag被氧化成Ag+,成为电子-空穴复合中心,限制了电子的有效传输。在以上研究的基础上,以旋涂法制备了不同TiO_2 NPs含量的ZnO NRs/Ag NPs/TiO_2 NPs光阳极薄膜,制备DSSCs,电池效率进一步增加,最高达到4.09%。2.采用刮板法制备了混合了不同ZnO含量的ZnO NPs/TiO_2 NPs薄膜,随后以薄膜中的ZnO NPs为籽晶,随后采用水热法生长ZnO NRs,得到ZnO NRs/TiO_2 NPs复合结构薄膜,平均厚度约为13μm。最后将其进行CdS量子点敏化以及N719染料敏化,探究ZnO NRs含量对电池的光散射性能以及电子传输性能等的影响。结果表明,随着ZnO NRs在复合结构中含量的增多,电池的光电转换效率呈现出先增大后减小的趋势,在ZnO NRs含量为6wt%时达到最大,这是因为ZnO NRs的加入增加了薄膜的光散射性能,提高了电池的光捕获效率,同时,ZnO NRs的加入为电子传输提供直接通道,有利于电子收集效率的提高。然而,ZnO NRs的加入同时也减小了薄膜的表面积,降低了敏化剂的吸附量,光捕获效率降低。因而,综合光散射性能,电子传输性能以及敏化剂的吸附量,电池效率在ZnO籽晶含量为6 wt%时电池效率达到最优为3.95%和6.41%,比单独TiO_2电池效率增加了41.6%和18.9%。在以上研究基础上,为了进一步研究ZnO NRs光散射性能,电子传输性能对电池性能的影响,制备了平均厚度约为27μm的ZnO NRs/TiO_2 NPs的复合结构以及单独TiO_2NPs的DSSCs。结果表明,虽然N719吸附量减少了,由于ZnO NRs优异的光散射性能以及电子传输性能,最终获得电池效率为7.13%,比同厚度Ti O2 NPs的效率提高了34.3%。3.采用刮板法制备了TiO_2 NPs薄膜,然后采用旋涂法在TiO_2 NPs薄膜上生长ZnO晶种层,之后采用水热法生长ZnO NRs,通过不同水热反应时间,得到不同ZnO NRs散射层厚度的TiO_2 NPs/ZnONRs复合结构薄膜,并对其进行N719染料敏化,探究ZnO NRs厚度对复合结构薄膜的光散射性能以及光捕获效率的影响。结果表明,随着ZnO NRs厚度的增加,薄膜的光散射增加,N719吸附量增加,光捕获效率增强,最终使得DSSCs的光电转化效率提高至4.85%,比单独TiO_2电池的效率增加了64.4%。
【关键词】：ZnO NRs Ag NPs TiO_2 NPs 敏化太阳电池
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ132.41;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-34
• 1.1 太阳电池研究背景11
• 1.2 基于ZnO的DSSCs的研究现状11-19
• 1.2.1 DSSCs的发展历史12
• 1.2.2 DSSCs的组成结构12-17
• 1.2.3 DSSCs的工作原理以及影响因素17-18
• 1.2.4 DSSCs的性能表征18-19
• 1.2.5 基于ZnO的DSSCs的研究进展和发展趋势19
• 1.3 基于ZnO的QDSSCs研究现状19-26
• 1.3.1 量子点及其特性19-20
• 1.3.2 量子点的制备20-21
• 1.3.3 基于ZnO的QDSSCs的研究进展和发展趋势21-26
• 1.4 本文选题的目的意义及主要内容26-27
• 参考文献27-34
• 第二章 基于ZnO NRs/Ag NPs的敏化太阳电池的性能研究34-59
• 2.1 引言34-35
• 2.2 实验部分35-38
• 2.2.1 实验试剂35-36
• 2.2.2 实验方法36-37
• 2.2.3 实验器材和表征仪器37-38
• 2.3 基于ZnO NRs/Ag NPs的敏化太阳电池的实验结果与讨论38-48
• 2.3.1 XRD分析38-39
• 2.3.2 SEM, EDS与TEM分析39-41
• 2.3.3 反射与吸收光谱分析41-44
• 2.3.4 IPCE以及J-V分析44-47
• 2.3.5 EIS分析47-48
• 2.4 基于ZnO NRs/Ag NPs/TiO_2 NPs的DSSCs的实验结果与讨论48-53
• 2.4.1 XRD分析49-50
• 2.4.2 SEM分析50
• 2.4.3 反射，透射以及吸收光谱分析50-52
• 2.4.4 IPCE以及J-V分析52-53
• 2.5 本章小结53-55
• 参考文献55-59
• 第三章 ZnO NRs/TiO_2NPs复合结构薄膜的制备及性能研究59-77
• 3.1 引言59-60
• 3.2 实验部分60-63
• 3.2.1 实验试剂60-61
• 3.2.2 实验方法61-62
• 3.2.3 实验器材和表征仪器62-63
• 3.3 基于ZnO NRs/TiO_2NPs的敏化太阳电池的结果与讨论63-69
• 3.3.1 XRD分析63
• 3.3.2 SEM分析63-65
• 3.3.3 反射和吸收光谱分析65-67
• 3.3.4 IPCE以及J-V分析67-68
• 3.3.5 EIS分析68-69
• 3.4 基于超厚ZnO NRs/TiO_2NPs的DSSCs的结果与讨论69-72
• 3.4.1 SEM分析70
• 3.4.2 反射和吸收光谱分析70-71
• 3.4.3 IPCE以及J-V分析71
• 3.4.4 EIS分析71-72
• 3.5 本章小结72-74
• 参考文献74-77
• 第四章 TiO_2 NPs/ZnO NRs复合结构薄膜的制备及性能研究77-90
• 4.1 引言77-78
• 4.2 实验部分78-79
• 4.2.1 实验试剂78-79
• 4.2.2 实验方法79
• 4.3 实验结果与讨论79-85
• 4.3.1 XRD分析79-80
• 4.3.2 SEM分析80-81
• 4.3.3 反射，透射和吸收光谱分析81-83
• 4.3.4 IPCE以及J-V分析83-85
• 4.3.5 EIS分析85
• 4.4 本章小结85-87
• 参考文献87-90
• 第五章 总结90-92
• 攻读学位期间主要研究成果92-93
• 致谢93

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