敏化太阳能电池光阳极和对电极的制备与研究

【摘要】：敏化太阳能电池作为一种新型的光伏电池,因其具有高效率,成本低廉且制作工艺简单的优点,从而日益受到人们的关注,成为目前研究的热点。从敏化太阳能电池的工作机理来看,敏化剂(染料及量子点)与半导体薄膜的界面接触、光阳极的结构、对电极的催化还原性能等是影响其光电转换效率的主要原因。本论文主要围绕敏化太阳能电池的光阳极和对电极制备进行研究,改善光阳极内部的界而接触、降低器件制作的成本,主要研究内容如下： 一、共沉淀方法制备光致发光材料Y3Al5O12:Ce颗粒,并作为散光层材料应用于染料敏化太阳能电池。通过在纳米晶TiO2(P25)透过层表面增加Y3Al5O12:Ce散光层,可以增加波长400-450nm范围内的光吸收,提高电极的光散射和反射本领；同时Y3Al5012:Ce荧光粉颗粒作为下转换材料可以吸收短波段的光,发射长波段的光,增加光阳极对光的捕获能力。在一个标准太阳光(100mWcm-2, AM1.5G)下,使用P25/Y3Al5O12:Ce电极的染料敏化太阳能电池的转换效率达到7.91%,比纯的P25电极(6.97%)的提高了13.5%。 二、微波法合成石墨烯和石墨烯/金纳米颗粒复合物,并利用电泳法将它们沉积石墨片基底上形成薄膜作为对电极应用于染料敏化太阳能电池。 (1)电泳沉积制备石墨烯/碳纳米管复合薄膜作为对电极应用于染料敏化太阳能电池,并比较不同碳纳米管掺杂量对电池性能的影响。通过碳纳米管的掺杂,碳管在复合电极中像桥梁一样连接在石墨烯之间,填充了石墨烯之间的空隙,形成了一种独特的网状结构,提高了复合电极的导电性,从而提高电池的转换效率。当碳纳米管在复合物中含量是60%时,在一个太阳光照射(AM1.5G,100mWcm-2)下,电池达到最高的转换效率(6.17%),比纯石墨烯(3.63%)和纯碳管(5.48%)的分别提高了70%和13%。 (2)电泳沉积制备石墨烯/金纳米颗粒复合薄膜作为对电极应用于CdS量子点敏化太阳能电池。与纯的石墨烯电极相比,高催化性的金纳米颗粒和高比表面积的石墨烯复合形成多孔的网状结构,提高了电极的电化学催化性和导电性。在一个太阳光照射(AM1.5G,100mW cm-2)下,基于石墨烯/金纳米颗粒复合对电极的CdS量子点敏化电池的转换效率为1.36%,比纯石墨烯(0.98%)的提高了39%。同时这个转换效率,也高于传统的Pt和Au对电极的转换效率(1.21%和1.32%)。 三、微波辅助化学浴沉积制备TiO2/CdS, TiO2/CdSe和TiO2/CdS/CdSe电极并应用于量子点敏化太阳能电池。与传统的量子点敏化太阳能电池的光阳极制备方法相比较,通过微波的辐射作用,可以在量子点与TiO2之间产生一个好的连接,从而形成优越的界面接触,有利于电子传输,抑制电子复合,从而得到高的转换效率。分别使用微波辅助化学浴沉积法一步制备了TiO2/CdS、TiO2/CdSe和TiO2/CdS/CdSe电极应用于量子点敏化太阳能电池,在一个太阳光照射(AM1.5G,100mW cm-2)下,得到1.18%、1.75%和3.06%的转换效率。与单个的TiO2/CdS和TiO2/CdSe电极相比,TiO2/CdS/CdSe可以形成一种阶梯式能带结构和好的界面接触,利于电子的传输和收集,抑制复合电流,因此有效提高了光电转换效率。 四、超声雾化热解法制备ZnO界面层和ZnO/CdS电极,应用于量子点敏化太阳能电池。 (1)使用超声雾化热解法在TiO2薄膜上制备ZnO的界面层,改善TiO2/CdS之间的界面接触,同时增加了量子点的吸附,提高了电极的光散射和反射。在一个标准太阳光(100mWcm-2, AM1.5G)下,使用TiO2/ZnO/CdS电极的量子点敏化太阳能电池得到1.56%的转换效率,比纯的TiO2/CdS电极(0.99%)的提高了57%。 (2)使用超声雾化热解法制备ZnO薄膜和CdS敏化剂应用于量子点敏化太阳能电池。使用超声雾化热解法制备的ZnO/CdS电极,在FTO/ZnO/CdS之间可以产生个好的接触界面,有利于电子的传输,抑制电子的复合,从而得到高的转换效率。在一个太阳光照射(AM1.5G,100mWcm-2)下,得到转换效率达到1.54%。 【关键词】：敏化太阳能电池 光阳极 对电极 电泳沉积 微波辅助化学浴沉积 超声雾化热解法
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 论文摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 目录11-13
• 第1章 绪论13-26
• 1.1 引言13
• 1.2 太阳能电池的发展史13-16
• 1.3 敏化太阳能电池16-18
• 1.4 敏化太阳能电池主要性能参数18-20
• 1.5 敏化太阳能电池的测试20-21
• 1.6 本论文的设计思想和研究内容21-22
• 参考文献22-26
• 第2章 光致发光材料在染料敏化太阳能电池中的应用26-40
• 2.1 引言26
• 2.2 实验过程26-29
• 2.3 结果与讨论29-33
• 2.4 本章小结33-35
• 参考文献35-40
• 第3章 电泳沉积制备石墨烯及其复合物薄膜在敏化太阳能电池中的应用40-71
• 3.1 引言40
• 3.2 石墨烯/碳纳米管复合物薄膜对电极用于染料敏化太阳能电池40-52
• 3.3 石墨烯/金纳米颗粒复合物对电极用于CdS量子点敏化太阳能电池52-59
• 3.4 本章小结59-61
• 参考文献61-71
• 第4章 微波辅助化学沉积法制备量子点敏化的TiO_2电极用于量子点敏化太阳能电池71-109
• 4.1 引言71
• 4.2 微波辅助化学沉积法制备CdS量子点敏化的TiO_2电极用于量子点敏化太阳能电池71-86
• 4.3 微波辅助化学沉积法制备CdSe量子点敏化的TiO_2电极用于量子点敏化太阳能电池86-94
• 4.4 微波辅助化学沉积法制备CdS/CdSe量子点共敏化的TiO_2电极用于量子点敏化太阳能电池94-102
• 4.5 本章小结102-103
• 参考文献103-109
• 第5章 超声雾化热解法制备ZnO界面层和ZnO/CdS电极用于量子点敏化太阳电池109-129
• 5.1 引言109
• 5.2 超声雾化热解法制备ZnO界面层对CdS量子点敏化太阳能电池的影响109-116
• 5.3 超声雾化热解制备ZnO/CdS电极用于量子点敏化太阳能电池116-123
• 5.4 本章小结123-124
• 参考文献124-129
• 第6章 全文总结与展望129-132
• 6.1 总结129-131
• 6.2 展望131-132
• 攻读博士期间的主要研究成果132-135
• 致谢135

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