溅射法制备二氧化钛致密层及其在太阳能电池的应用

【摘要】：化学方法合成的二氧化钛Ti02致密层用于提升染料敏化太阳电池(DSCs)的研究已经被广泛报道。本论文探讨了射频RF、脉冲DC溅射法制备二氧化钛Ti02致密层及其在染料敏化太阳能电池DSC中的应用。 论文采用Ti02陶瓷靶及DC、RF磁控溅射法制备了Ti02致密层,研发了脉冲DC和RF溅射法制备工艺。比较了两种方法所制备的二氧化钛薄膜的沉积速率、结构和光学特性以及薄膜沉积的相关原理,并将所制备的二氧化钛薄膜作为致密层运用于DSC电池,研究了二氧化钛致密层的厚度对DSC电池性能的影响。通过对DSC电池阻抗谱的测试和分析,探讨了二氧化钛致密层抑制FTO/电解质界面的电子复合,降低暗电流和提升DSC电池性能的机理。 本实验研究的染料太阳能电池制备方面,Ti02致密层结构时,DSC电池转化效率在4%左右,加入Ti02致密层以后,通过改变致密层的厚度,研究电池性能的变化。加入适当厚度的致密层之后,无论是脉冲直流源溅射还是射频源溅射沉积,DSC电池性能都有明显改善,并发现脉冲直流源溅射沉积的Ti02薄膜,光透过性更好,且对DSC电池的性能改变更为明显。有RF和DC溅射法制备的Ti02致密层的DSC电池,最佳电池转化效率分别为5.54%与7.90%,最佳电流密度分别为12.27mA/cm2与14.60mA/cm2。对于两种方式溅射沉积的致密层,电池的性能随着致密层的厚度的变化而变化,当RF源溅射沉积致密层厚度为110nm时,DSC电池性能最佳,而脉冲DC源溅射沉积致密层Ti02厚度为160nm时,其DSC电池性能最佳,但随着两种致密层厚度的进一步增加,电池性能都开始下降。池性能变差的主要原因是因为致密层厚度的增加,导致了透射率的严重下降,从而影响了电池的转换效率。 由黑暗条件下,对电池的交流阻抗进行了测试和分析。加入了致密层Ti02后,DSCs电池中各界面间复合电阻有所下降,致密层厚度的变化对DSCs电池中各界面的影响有所不同,其中对电子在多孔Ti02薄膜电极中以及Ti02/电解质界面之间的传输电阻影响较大,有利于抑制逆电流的发生。 在AM1.5的光照条件下,由射频源溅射所得到的TiO2致密层,与没有加入致密层的染料电池相比,其10nm、40nm、70nm、100nm厚度的致密层对应的电流密度分别为11.52mA/cm212.30mA/cm2,11.27mA/cm2,11.50mA/cm2。而没有加入致密层的电流密度为11.23mA/cm2,而脉冲直流电源溅射沉积的致密层其致密层厚度为40nm、70nm、100nm、130nm、160nm、190nm时,其DSCs电池对应的电流密度分别为,11.6mA/cm2,12.1mA/cm2,13.2mA/cm2,14.6mA/cm2,13.1mA/cm2。通过一系列的实验研究表明,加入致密层后,由于抑制了逆反应的发生,两种方式沉积的致密层都不同程度的改善了DSC电池的性能,其中,脉冲直流沉积的致密层,具有更高的沉积速率,并对DSC电池性能的改善效果更佳。 【关键词】：染料电池(DSCs) 磁控溅射 射频源 脉冲直流电源 TiO_2薄膜
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-31
• 1.1 太阳能12-14
• 1.2 太阳能电池发展历史14-15
• 1.3 主要的几种太阳能电池15-17
• 1.4 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理17-20
• 1.4.1 染料敏化太阳能电池的结构17-18
• 1.4.2 染料敏化太阳能电池的工作原理18-20
• 1.5 染料敏化太阳能电池的制备20-24
• 1.6 加入致密层后染料敏化太阳能电池的结构24-25
• 1.7 染料敏化太阳能电池的性能参数25-26
• 1.8 本论文的设计思想和研究内容26-28
• 参考文献28-31
• 第二章 实验测试仪器及表征方法31-41
• 2.1 磁控溅射系统31-32
• 2.2 扫描电子显微镜(SEM)32-34
• 2.3 台阶仪34-35
• 2.4 X-Ray衍射仪(XRD)35
• 2.5 电化学工作站35-37
• 2.6 UV-VIS分光光度计37-38
• 2.7 J-V曲线测试38-39
• 2.8 太阳能电池QE/IPCE(量子效率)测量系统39-41
• 第三章 二氧化钛致密层制备及其对染料电池的性能影响41-69
• 3.1 磁控溅射镀膜法41-42
• 3.2 磁控溅射制备TiO_2致密层步骤42-44
• 3.2.1 实验准备42-43
• 3.2.2 FTO衬底上制备TiO_2致密层薄膜操作流程43-44
• 3.3 射频源(RF)磁控溅射沉积制备TiO_2薄膜及性能分析44-47
• 3.3.1 TiO_2薄膜沉积速率44-46
• 3.3.2 TiO_2薄膜表面形貌(SEM)和透射光谱46-47
• 3.4 染料电池组装47-50
• 3.5 不同厚度TiO_2致密层对DSCs电池性能影响讨论50-52
• 3.5.1 I-V特征曲线及光电转换效率50-51
• 3.5.2 量子效率(QE)分析51-52
• 3.6 脉冲直流源(pulsed DC)磁控溅射沉积制备TiO_2薄膜及性能分析52-58
• 3.6.1 脉冲直流源(pulsed DC)磁控溅射沉积TiO_2薄膜52-53
• 3.6.2 TiO_2薄膜沉积速率(pulsed DC溅射)53-55
• 3.6.3 SEM和XRD分析及与RF溅射制备致密层的差别讨论55-57
• 3.6.4 DC溅射不同厚度致密层透射率及与RF溅射对比讨论57-58
• 3.7 pulsed DC磁控溅射沉积制备TiO_2致密层对DSC电池的影响58-62
• 3.7.1 I-V测试曲线及与RF致密层对比讨论58-61
• 3.7.2 量子效率(QE)分析61-62
• 3.8 电化学阻抗谱(EIS)分析62-65
• 3.9 本章小节65-67
• 参考文献67-69
• 第四章 总结69-72
• 4.1 DSC.致密层对电池短路电流的影响69
• 4.2 致密层对填充因子和开路电压的影响? ^69-70
• 4.3 射频源和直流源溅射制备致密层的区别70-72
• 致谢72-74
• 附作者发表或已提交的文章74-77

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