氧化锌纳米棒/纳米管阵列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以其环保、经济、制备简单等优点，在可再生能源领域引起全球的瞩目，迅速被全世界科学家广泛研究，并取得了重要进展。其中光阳极材料的选择与制备更是研究的重要一环。一维纳米氧化物以其特殊的结构，拥有高的取向，特别适合被用做光阳极。同时由于氧化锌本身的性质，其电子迁移率更是比二氧化钛高出一个数量级，这在光阳极的性能提升上有重要意义。氧化锌作为一种廉价环保半导体，可以通过多种方法制成各种形貌的一维结构，其中电沉积方法拥有能耗小，时间短，无污染的优点。因此，通过电化学方法制出质量高、整齐排列、取向一致的一维氧化锌纳米材料并用于染料敏化太阳能电池就成了本文的研究重点。 本文的主要内容包括： 1.采用电化学沉积法在导电玻璃上制备氧化锌纳米棒/管阵列，改变不同的条件如沉积温度、时间、电流等，得到不同长度，不同直径，取向一直整齐，晶形完整的氧化锌纳米棒/管阵列。通过扫描电子显微镜和X射线衍射等表征方法，找出即快速又节能的最佳制备条件。 2.用450℃退火处理光阳极，其性能可以显著提高。配制不同的染料（N719、N3等）并通过不同时间染料吸附的对比，找出适合氧化锌的染料及处理时间。实验发现光阳极在N719染料中浸泡2h效果最好。并应用于不同参数的氧化锌纳米阵列光阳极，研究不同长度的ZnO纳米阵列对电池性能的影响。发现纳米管阵列的效果要高于纳米棒，且在一定范围内，长度越长效果越好。 3.制备复合结构的光阳极可以明显提高效率。一种是通过钛酸四丁酯热处理复合，另一种是与二氧化钛纳米颗粒直接复合。配制纳米二氧化钛溶胶和凝胶，并把氧化锌纳米管阵列与之复合，制备出两种复合光阳极。一种为在氧化锌纳米管中装入二氧化钛纳米颗粒，另一种为在氧化锌表面涂抹一层二氧化钛。研究发现，二氧化钛的掺入能明显提高电池的性能。这是由于二氧化钛的加入防止了电子的复合，增大了比表面积。 【关键词】：氧化锌 纳米阵列 光阳极 染料敏化 太阳能电池
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 概述9
• 1.2 氧化锌的晶体结构与基本性质9-12
• 1.2.1 氧化锌的基本性质10-11
• 1.2.2 氧化锌的晶体结构11
• 1.2.3 氧化锌的光电性能11-12
• 1.2.4 氧化锌的其他性能12
• 1.3 纳米氧化锌的制备方法12-15
• 1.3.1 气相沉积/化学气相沉积12-13
• 1.3.2 水热法13-14
• 1.3.3 溶胶-凝胶法14
• 1.3.4 溅射法14
• 1.3.5 电化学沉积法14-15
• 1.3.6 其他合成法15
• 1.4 染料敏化太阳能电池简介15-18
• 1.5 纳米氧化锌在染料敏化太阳能电池中的应用18-20
• 1.6 本课题研究的内容及目的20-23
• 1.6.1 选题背景20
• 1.6.2 研究内容20-23
• 第2章 电化学沉积制备氧化锌纳米棒/纳米管阵列23-37
• 2.1 引言23
• 2.2 药品与仪器23-24
• 2.2.1 药品部分23-24
• 2.2.2 仪器部分24
• 2.3 氧化锌纳米棒阵列的制备24-25
• 2.3.1 实验前处理24
• 2.3.2 电化学沉积制备氧化锌纳米棒24-25
• 2.4 氧化锌纳米棒的测试与表征25-29
• 2.4.1 测试方法25
• 2.4.1.1 场发射扫面电子显微镜(SEM)测试25
• 2.4.1.2 X 射线衍射仪(XRD)测试25
• 2.4.2 样品表征25-29
• 2.4.2.1 硝酸锌浓度对氧化锌纳米棒阵列的影响25-27
• 2.4.2.2 电沉积温度对氧化锌纳米棒阵列的影响27-28
• 2.4.2.3 电沉积时间对氧化锌纳米棒阵列的影响28-29
• 2.5 氧化锌纳米管阵列的制备29-30
• 2.6 氧化锌纳米管的测试与表征30-35
• 2.6.1 KOH 溶解时间对氧化锌纳米管阵列的影响31-33
• 2.6.2 KOH 溶液浓度对氧化锌纳米管阵列的影响33-34
• 2.6.3 不同溶解温度对氧化锌纳米管阵列的影响34-35
• 2.7 本章小结35-37
• 第3章 氧化锌纳米棒，纳米管光阳极37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 药品与仪器37-38
• 3.2.1 药品部分37-38
• 3.2.2 仪器部分38
• 3.3 染料敏化太阳能电池的制备与测试38-39
• 3.3.1 氧化锌光阳极的制备38
• 3.3.2 染料的制备38
• 3.3.3 液体电解质的配制38-39
• 3.3.4 染料敏化太阳能电池的组装39
• 3.3.5 光电转换性能测试39
• 3.4 热处理对光阳极性能的影响39-42
• 3.5 染料和敏化时间对光阳极性能的影响42-45
• 3.5.1 N719 染料及其敏化时间对电池性能的影响42-43
• 3.5.2 N3 染料及其敏化时间对电池性能的影响43-44
• 3.5.3 N3 和 N719 染料敏化时间对光阳极的影响的原理探讨44-45
• 3.6 氧化锌纳米棒长度对太阳能电池性能的影响45-46
• 3.7 氧化锌纳米管长度对太阳能电池性能的影响46-47
• 3.8 本章小结47-49
• 第4章 ZnO-TiO_2复合光阳极49-61
• 4.1 引言49
• 4.2 药品与仪器49-50
• 4.2.1 药品部分49-50
• 4.2.2 仪器部分50
• 4.3 用钛酸四丁酯制备复合光阳极50-54
• 4.3.1 钛酸四正丁酯的处理方法50-51
• 4.3.2 处理后的光阳极的测试与表征51-54
• 4.3.2.1 XRD 分析51-52
• 4.3.2.2 SEM 分析52
• 4.3.2.3 钛酸四丁酯处理过的光阳极的 IV 曲线52-54
• 4.4 二氧化钛纳米颗粒复合氧化锌光阳极54-59
• 4.4.1 二氧化钛纳米颗粒-氧化锌光阳极的制备54-55
• 4.4.2 二氧化钛纳米颗粒-氧化锌光阳极的测试与表征55-59
• 4.4.2.1 SEM 测试55-56
• 4.4.2.2 EDX 分析56-57
• 4.4.2.3 XRD 分析57-58
• 4.4.2.4 IV 曲线58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 总结61-63
• 参考文献63-73
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果73-75
• 致谢75

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