基于银表面等离子体共振增强TiO_2、ZnO染料敏化太阳能电池的光电性能

【摘要】：作为一种新型的太阳能电池，染料敏化太阳能电池(DSSC)因其低成本、高转换效率以及相对于传统的硅电池较为简便的制备工艺而受到广泛关注。目前，DSSC的最高转换效率已经突破15%，但是，要想转向实际应用还需进一步改善。光阳极是吸收太阳光和产生光生激子的地方，它对太阳光的利用率直接影响着DSSC的光电性能。光阳极所用的半导体材料对太阳光的吸收主要在紫外区，用染料敏化后可以将吸收范围向可见光区域拓展，但整体的吸光度仍偏低。Ag纳米粒子的表面等离子体效应是一种非常理想的改善光吸收方法，它通过Ag粒子对入射光的有效光散射和光俘获，来增强染料对光的吸收，从而提高DSSC的光电性能。但是，通常所用的制备Ag纳米粒子的方法不够简洁，且耗时较长。为了进一步简化制备工艺、缩短反应时间，本论文探索了一种快捷的制备方法在光阳极上沉积Ag纳米粒子，达到增强DSSC光电性能的目的。 论文中分别采用TiO2纳米晶薄膜和ZnO纳米棒阵列作为光阳极，对比了两种不同方法沉积的Ag纳米粒子对电池性能的影响，并在实验过程中摸索出了最佳的Ag纳米粒子负载量。 采用刮涂法在导电玻璃基底上制备出了厚度约为10μm的介孔TiO2纳米晶薄膜，然后，然后分别用葡萄糖还原银氨溶液和葡萄糖还原AgNO3的方法在TiO2薄膜上沉积Ag纳米粒子作为光阳极，组装成DSSC测试光电性能。实验结果表明，采用葡萄糖还原银氨溶液的方法对TiO2光阳极进行掺杂，电池达到最佳值时所需的AgNO3浓度为1mM，反应时间为1min，电池最高光电转换效率为5.2%，相比纯TiO2染料敏化太阳能电池(4.3%)提高了23%；而葡萄糖还原AgNO3的方法，电池达到最佳值时所需的AgNO3浓度为50mM，所需时间为20min，电池最高光电转换效率为4.9%，提高了12%。 用溶胶法制备了长度约为2μm，直径约为100nm的ZnO纳米棒阵列，用葡萄糖还原银氨溶液和葡萄糖还原AgNO3的方法分别对ZnO进行Ag粒子掺杂，实验结果表明：采用葡萄糖还原银氨溶液的方法，电池效率达到最佳值时所需的AgNO3浓度为0.1mM，反应时间为1min，电池最高光电转换效率为0.31%，相比纯ZnO纳米棒电池(0.2%)提高了55%；采用葡萄糖还原AgNO3的方法，电池达到最佳值时所需的AgNO3浓度为1mM，所需时间为5min，电池最高光电转换效率为0.27%，提高了35%。 利用葡萄糖还原银氨溶液在电极上负载Ag纳米粒子，既降低了AgNO3的消耗量，又极大的节约了反应时间，并且该反应在室温下就可以进行，对反应条件要求低。与通常所用的还原反应相比，葡萄糖还原银氨溶液法制备的Ag纳米粒子对电池性能的提高更为明显。这种快捷高效的方法为制备等离子体增强染料敏化太阳能电池提供了一种新的途径。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 表面等离子体 银氨溶液 TiO2 ZnO
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 染料敏化太阳能电池的发展及研究现状11-17
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理11-13
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的性能参数13-14
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池的研究进展14-17
• 1.3 表面等离子体在染料敏化太阳能电池中的应用17-20
• 1.3.1 表面等离子体的形成及其特性17-18
• 1.3.2 表面等离子体效应的应用18-20
• 1.4 课题的研究目的及意义20-22
• 第二章 银沉积 TiO_2光阳极的制备及光电性能研究22-38
• 2.1 实验试剂与仪器22-23
• 2.2 实验部分23-27
• 2.2.1 光阳极的制备23-25
• 2.2.2 Ag纳米粒子的保护处理25
• 2.2.3 染料吸附25-26
• 2.2.4 电解质26
• 2.2.5 对电极的制备26
• 2.2.6 电池的组装26-27
• 2.3 实验结果与讨论27-37
• 2.3.1 葡萄糖还原银氨溶液生成的 Ag 纳米粒子对电池性能的影响27-32
• 2.3.2 葡萄糖还原 AgNO_3生成的 Ag 纳米粒子对电池性能的影响32-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 银沉积 ZNO 光阳极的制备及光电性能研究38-51
• 3.1 实验试剂与仪器38-39
• 3.2 实验过程39-41
• 3.2.1 生长 ZnO 纳米棒阵列39-40
• 3.2.2 Ag纳米粒子的负载40
• 3.2.3 Ag纳米粒子的保护处理40-41
• 3.2.4 染料吸附41
• 3.3 实验结果与讨论41-49
• 3.3.1 葡萄糖还原银氨溶液生成的 Ag 纳米粒子对电池性能的影响41-46
• 3.3.2 葡萄糖还原 AgNO_3生成的 Ag 纳米粒子对电池性能的影响46-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 结论51-52
• 参考文献52-58
• 发表论文和科研情况说明58-59
• 致谢59-60

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