稀土下转换薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)具有生产成本较低,制备工艺较为简单,受温度影响小等优点,是一种应用前景极好的太阳能光电转换装置。纳米晶相Ti O2是电池器件的核心部分,在整个电池中起着吸附染料分子、为电子-空穴分离提供场所、传输电子等作用,对电池转换效率起到了决定性作用。直接以纯TiO2晶相作为光阳极的DSSC光电性能并不理想,这使得对改性纳米晶TiO2光阳极成为了现今DSSC的研究热点。染料敏化后的纳米晶TiO2光阳极的光谱响应范围主要集中在波长为450-600nm区域,对400nm以下波长的紫外光很少利用。假设采用一种方法将400nm以下波长的紫外光转换为450-600nm区域可见光,就可以提高太阳能电池对光的总体利用率,使得太阳能电池光电转换效率得到提高。本文以TiO2作为下转换基质材料,利用Sol-Gel法制备了TiO2︰稀土下转换薄膜,探讨了在紫外光照射下TiO2︰稀土下转换薄膜及其粉体的下转换特性,考察了Sm3+和Eu3+,Y3+不同掺杂浓度对下转换性能的影响以及薄膜层数对DSSC光电性能的影响。采用X-ray射线粉末衍射仪(XRD),能谱仪(EDS),荧光光谱仪(PL),紫外-可见分光计器(UV-Vis)等测试方法对样品进行了分析和测试。采用太阳光模拟器(SSA50),吉时利数字源表(Keithley2400)对DSSC进行了光电性能测试。具体内容如下:(1)利用溶胶-凝胶法制备了TiO2︰Sm3+下转换薄膜。在395nm紫外光照射下,获得了波长540-600nm连续的可见光发射,具有下转换特性。与TiO2薄膜相比,二层下转换薄膜仍能保持较高的可见光透过率。当稀土掺量为1%时,利用下转换特性使短路电流提高了13.2%,光电转换效率提高了16.2%。(2)利用溶胶-凝胶法制备了TiO2︰Eu3+,Y3+下转换薄膜。在396nm紫外光照射下,获得了波长535-620nm连续的可见光发射,具有下转换特性。与TiO2薄膜相比,二层下转换薄膜仍能保持较高的可见光透过率。当稀土总掺量为4%时,利用下转换特性使短路电流提高了21.5%,光电转换效率提高了14.1%。 【关键词】：下转换薄膜 染料敏化太阳能电池 溶胶-凝胶法 转换效率
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 前言10-21
• 1.1 太阳能电池的发展10-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池简述12-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池的工作原理13-14
• 1.4 染料敏化太阳能电池的结构14-17
• 1.4.1 导电基底材料14-15
• 1.4.2 纳米多孔材料15
• 1.4.3 染料敏化剂15-16
• 1.4.4 电解质16
• 1.4.5 对电极16-17
• 1.5 TiO_2的性质与主要的改性方法17-18
• 1.5.1 TiO_2的性质17
• 1.5.2 表面包覆改性17-18
• 1.5.3 掺杂改性18
• 1.6 稀土材料18-20
• 1.6.1 稀土元素18
• 1.6.2 稀土发光原理18-19
• 1.6.3 稀土材料在染料敏化太阳能电池中的应用19
• 1.6.4 稀土材料的制备方法19-20
• 1.7 论文的创新性和研究内容20-21
• 第二章 实验部分21-26
• 2.1 实验药品和仪器21-22
• 2.1.1 实验药品21
• 2.1.2 实验仪器21-22
• 2.2 实验方案22-24
• 2.2.1 导电玻璃基底的准备22-23
• 2.2.2 阻挡层下转换薄膜以及相应下转换粉体的制备23
• 2.2.3 吸收层纳米多孔TiO_2薄膜的制备23
• 2.2.4 发光电极的制备23-24
• 2.2.5 染料敏化太阳能电池的组装24
• 2.3 测试部分24-26
• 2.3.1 X射线衍射测试（XRD）24-25
• 2.3.2 X射线能谱测试（EDS）25
• 2.3.3 荧光光谱仪（PL）25
• 2.3.4 紫外-可见分光光度计测试（UV-Vis）25
• 2.3.5 光电性能测试25
• 2.3.6 IPCE测试25-26
• 第三章 TiO_2︰Sm~(3+)下转换薄膜的应用26-34
• 3.1 结果与讨论26-33
• 3.1.1 TiO_2︰Sm~(3+)粉体的XRD分析26-27
• 3.1.2 TiO_2︰Sm~(3+)粉体的EDS分析27
• 3.1.3 TiO_2︰Sm~(3+)粉体的荧光测试分析27-28
• 3.1.4 TiO_2︰Sm~(3+)下转换薄膜的荧光测试分析28-30
• 3.1.5 TiO_2︰Sm~(3+)下转换薄膜的透过率分析30
• 3.1.6 DSSC的外量子效率曲线30-31
• 3.1.7 DSSC的功率-电压曲线31-32
• 3.1.8 DSSC的电流-电压曲线32-33
• 3.2 本章结论33-34
• 第四章 TiO_2︰Eu~(3+),Y~(3+)下转换薄膜的应用34-44
• 4.1 结果与讨论34-42
• 4.1.1 Y~(3+)对TiO_2︰Eu~(3+)发光性能的影响34-35
• 4.1.2 TiO_2︰Eu~(3+),Y~(3+)粉体的XRD分析35
• 4.1.3 TiO_2︰Eu~(3+),Y~(3+)粉体的EDS分析35-36
• 4.1.4 TiO_2︰Eu~(3+),Y~(3+)粉体的荧光测试分析36-37
• 4.1.5 TiO_2︰Eu~(3+),Y~(3+)下转换薄膜的荧光测试分析37-39
• 4.1.6 TiO_2︰Eu~(3+),Y~(3+)下转换薄膜的透过率分析39-40
• 4.1.7 DSSC的外量子效率曲线40
• 4.1.8 DSSC的功率-电压曲线40-41
• 4.1.9 DSSC的电流-电压曲线41-42
• 4.2 本章结论42-44
• 第五章 总结44-45
• 参考文献45-53
• 致谢53-54
• 附录：本人硕士期间所发论文54

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