ZnO基染料敏化太阳能电池的制备与研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC)是一种新型电池,TiO2来源途径比较广,其化学性质相对稳定,于是其成为DSSC电池光阳极研究最多的一种材料,其电池性能已达到13%。ZnO在常温下的禁带宽度为3.37 e V,其与锐钛矿型Ti02电位只相差0.15V。然而电子在ZnO光阳极中的迁移输率明显高于Ti02,其制备条件简单,且形貌丰富,同时易于低温控制,ZnO成为继Ti02之后研究最多的一种光阳极材料。本文对ZnO基DSSC光阳极进行了如下研究：(1)采用碳模板法制备了ZnO粉。主要研究了Zn/C摩尔比和水热温度对ZnO粉形貌的影响。当Zn/C摩尔比为2：1时,ZnO粉的形貌为颗粒聚集的球,其直径为2μm,有部分球表面生长纳米棒,纳米棒的直径为20nm,长度为200nm,长径比为10：1。当温度低于160℃时,葡萄糖(C6H12O6)聚合反应难以发生,得到的为ZnO纳米颗粒,温度为220℃时,由于缩聚速度过快,导致结块现象比较严重。(2)将碳模板制备的ZnO粉应用于DSSC,当Zn/C摩尔比2：1,水热温度180℃,水热时间4h的ZnO粉制备的电池性能最好,由于ZnO球提供了比较大的比表面积,且球表面的纳米棒为其提供了比较高的电子传输率,其电池的开路电压Voc、短路电流密度Jsc、填充因子FF、光电转换效率分别达到0.62 V、14.96 mAJcm2、0.63、1.91%,电子寿命可达到33.53 ms。(3)醇热法制备具有多级结构的ZnO微球。主要研究了浆料制备工艺,升温速度,光阳极膜厚等对电池性能的影响。球磨使部分多级结构被破坏,漩涡法ZnO微球原结构保持完好；升温速度有3 ℃/min、4℃/min和5℃/min,但升温速度对电池性能影响小;膜厚增加染料吸附量也会增加,但传输的路径变长,空穴电子更易被复合。球磨3h,25～450℃,升温速率为3℃/min,保温60min,膜厚为20μm的电池性能最高为3.39%,Voc为0.60V,Jsc为8.66mA/cm2,FF为0.64.(4)在醇热法制备的ZnO微球为基础再长纳米棒,研究了生长液浓度和生长时间对ZnO球/纳米棒复合膜的影响。生长液浓度从0.01M增加到0.02M再增加到0.04M时,直径从20nm增加到30nm再到50nnm。生长时间从15h增加到30h再到65h时,纳米棒的长度从200nm增加到1000nm再降低到800nm。将不同条件下得到的ZnO球/纳米棒与对电极和电解质组装成DSSC,在0.02M,30h下测试其效率最高可达3.51%,开路电压Voc为0.52V,短路电流密度Jsc为12.78mA/cm2,填充因子FF为0.51。主要是短路电流的变化,从8.66mA/cm2增加到12.78mA/cm2。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 ZnO微球 ZnO纳米棒 电池性能
【学位授予单位】：景德镇陶瓷学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ132.41;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 引言8-9
• 2 文献综述9-27
• 2.1 染料敏化太阳能电池(DSSC)9-13
• 2.1.1 DSSC的结构9-11
• 2.1.2 DSSC的工作原理11-13
• 2.2 ZnO的晶体结构及特性13-14
• 2.3 ZnO微球在DSSC中应用14-21
• 2.3.1 醇热回流法14-18
• 2.3.3 超声辅助沉淀法18-20
• 2.3.4 直接沉淀法20
• 2.3.5 碳模板法20-21
• 2.4 ZnO纳米棒在DSSC中的应用21-23
• 2.5 复合结构DSSC的研究23-26
• 2.6 本论文选题背景和研究意义26-27
• 3 碳模板法制备ZnO微球及其电池性能27-37
• 3.1 实验过程27-28
• 3.1.1 导电玻璃的预处理27
• 3.1.2 ZnO微球的制备27
• 3.1.3 ZnO浆料的制备27-28
• 3.1.4 光阳极薄膜的制备28
• 3.1.5 染料和电解质的制备28
• 3.1.6 对电极的制备28
• 3.1.7 DSSC的组装28
• 3.2 表征28-29
• 3.2.1 物相分析28
• 3.2.2 形貌分析28-29
• 3.2.4 I-V曲线测试29
• 3.2.5 电化学阻抗测试29
• 3.2.6 IPCE测试29
• 3.2.7 膜厚测试29
• 3.3 实验结果及分析29-34
• 3.3.1 C/Zn0前驱体性能29-31
• 3.3.2 Zn/C摩尔比对ZnO粉形貌的影响31-33
• 3.3.3 水热反应温度对ZnO空心球形貌的影响33-34
• 3.4 DSSC性能34-36
• 3.5 实验小结36-37
• 4 醇热法制备ZnO微球及其电池性能37-49
• 4.1 实验过程37
• 4.1.1 原料与试剂37
• 4.1.2 ZnO微球粉的制备37
• 4.2 DSSC制备37-38
• 4.2.1 ZnO微球浆料的制备37-38
• (1) 球磨浆料的制备37-38
• (2) 漩涡浆料的制备38
• 4.2.2 光阳极膜的制备38
• (1) 丝网印刷法制备光阳极薄膜38
• (2) 刮刀法制备光阳极薄膜38
• 4.3 实验结果与分析38-47
• 4.3.1 ZnO微球粉性能分析38-40
• 4.3.2 浆料制备工艺对电池性能的影响40-43
• 4.3.3 升温速度对电池性能的影响43-47
• 4.4 实验小结47-49
• 5 ZnO球/纳米棒复合膜的制备及其电池性能49-58
• 5.1 实验部分49-50
• 5.2 结果与讨论50-56
• 5.2.1 生长衬底对ZnO纳米棒的影响50-51
• 5.2.2 生长液浓度对电池的影响51-55
• 5.2.3 生长时间对电池的影响55-56
• 5.3 本章小结56-58
• 结论58-60
• 创新点60-61
• 不足与展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-68

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