四脚状纳米ZnO太阳能电池研究

【摘要】：当今社会,科技迅猛发展,随之也给人类带来大量的不利因素,不可再生资源(化石)燃料的逐渐枯竭,生态环境的破坏,开发和利用清洁的可再生能源来解决能源短缺问题迫在眉睫。太阳能是最为丰富的自然资源之一,是解决能源危机的首选能源。染料敏化太阳能电池和无机/有机聚合物异质结太阳能电池作为新型太阳能电池,因其制备方法简单、价格低廉等优点,越来越受到人们的广泛关注,大力开展染料敏化太阳能电池和无机/有机聚合物太阳能电池的研究对解决当前能源危机和环境问题具有重大意义。 本论文采用化学气相传输沉积法制备具有特殊性能的三维空间结构四脚状纳米ZnO,以此作为无机纳米电子传输材料,以钌配合物N719染料为光敏化剂,与自制的铂(Pt)对电极组装成染料敏化太阳能电池；其次,将制备出的形貌规则、分布均匀的最小尺寸四脚状纳米ZnO与共轭聚合物MEH-PPV组装成无机/聚合物异质结太阳能电池,主要研究工作及结论为： 一、采用化学气相传输法通过改变制备工艺参数,制备出了形貌、尺寸可控的四脚状纳米ZnO。用X射线粉末衍射仪(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)等仪器对所得的四脚状纳米ZnO的结构和形貌进行了表征,得出制备四脚状纳米ZnO的最佳制备工艺参数,研究发现,锌蒸汽压、收集区域温度、氧气浓度、氧气通入区域温度、氮气流量等对四脚状纳米ZnO的形成和尺寸、形貌起重要作用,还研究了四脚状纳米ZnO的成核和生长机理。 二、研究发现小尺寸、形状规则、均匀分布的四脚状纳米ZnO基钌配合物N719染料敏化太阳能电池其光电转换效率明显优于大尺寸、形状不规则,分布不均匀的四脚状纳米ZnO基染料敏化太阳能电池,研究得到最小尺寸的四脚状纳米ZnO基染料敏化太阳电池的短路电流为9.5mA·cm-2,开路电压0.65V,填充因子0.52,光电转化效率3.21%。 三、制备器件结构为：FTO/PEDOT:PSS/四脚状纳米ZnO:MEH-PPV/Al的传统无机/聚合物太阳电池,当四脚状纳米ZnO与聚合物MEH-PPV的共混比例为7：3时组成活性层,器件的光电性能最佳,短路电流达到60.35μA·cm-2,开路电压0.37V,填充因子0.29,转化效率0.00645%。其他条件一定,结构为：ITO/四脚状纳米ZnO:MEH-PPV/PEDOT:PSS/Au反转型电池的光电性能优于传统结构的太阳电池。对于反转型器件,考察热处理温度对器件性能的影响,研究结果显示：热处理温度为130℃时,器件的光电流密度为52.19μA·cm-2,开路电压达到0.58V,填充因子0.24,光电转化率为0.00737%。另外,研究结果显示：器件热处理温度为130℃,热处理时间为15min时,器件的光电流密度和光电转化率最好。 【关键词】：四脚状纳米ZnO 染料敏化 异质结 共轭聚合物 太阳能电池
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-31
• 1.1 引言12-14
• 1.2 太阳能电池概述14-16
• 1.2.1 太阳能电池基本原理14
• 1.2.2 太阳能电池的输出特性(等效电路图)14-15
• 1.2.3 太阳能电池的分类15-16
• 1.3 新型太阳能电池研究现状16-26
• 1.3.1 染料敏化TiO_2纳米晶薄膜太阳电池16
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池工作原理16-18
• 1.3.3 基本概念及染料敏化纳米晶太阳能电池性能评价参数18-20
• 1.3.4 染料敏化电池研究进展20-22
• 1.3.5 DSSCs中的半导体纳米晶多孔膜的改性研究22-24
• 1.3.6 有机聚合物异质结太阳能电池24
• 1.3.7 无机纳米晶-聚合物异质结太阳电池24-25
• 1.3.8 无机纳米晶-聚合物异质结太阳电池研究进展25-26
• 1.4 ZnO的结构及其性质26-27
• 1.5 ZnO纳米晶多孔薄膜的制备27-29
• 1.6 论文的选题思想及主要内容29-30
• 1.7 课题来源30-31
• 第二章 四脚状纳米ZnO的制备和表征31-45
• 2.1 前言31
• 2.2 实验试剂与设备31-33
• 2.2.1 实验试剂31-32
• 2.2.2 实验设备32-33
• 2.3 化学气相法制备四脚状纳米ZnO33-34
• 2.3.1 实验方法33-34
• 2.3.2 样品表征与分析34
• 2.4 实验结果与讨论34-40
• 2.4.1 不同收集区域温度对四脚状纳米ZnO的影响34-35
• 2.4.2 不同蒸发温度的影响35-36
• 2.4.3 不同蒸汽压的影响36-37
• 2.4.4 氧气浓度的影响37
• 2.4.5 氧气通入区域温度的影响37-38
• 2.4.6 氮气流量的影响38-39
• 2.4.7 是否有水对产物形貌的影响39-40
• 2.5 四脚状纳米ZnO的辅助表征40-42
• 2.5.1 四脚状纳米ZnO的EDS谱40-41
• 2.5.2 四脚状纳米ZnO不同尺寸XRD表征41
• 2.5.3 四脚状纳米ZnO不同尺寸大小的PL谱41-42
• 2.6 ZnO纳米四脚状形成机理探讨42-43
• 2.7 本章小结43-45
• 第三章 四脚状纳米ZnO基染料敏化太阳能电池性能研究45-57
• 3.1 引言45
• 3.2 实验部分45-47
• 3.2.1 FTO导电玻璃的清洗45
• 3.2.2 光阳极的制备45-46
• 3.2.3 N719染料配制46
• 3.2.4 电解质溶液的配置46
• 3.2.5 热分解法制备Pt/FTO对电极46-47
• 3.2.6 染料敏化太阳能电池的组装47
• 3.2.7 染料敏化电池性能测试47
• 3.3 实验结果与讨论47-55
• 3.3.1 四脚状纳米ZnO样品制备光阳极和吸附染料后紫外吸收对比47-48
• 3.3.2 不同收集区域温度制备的样品光阳极光电性能研究48-50
• 3.3.3 不同蒸发源温度样品制备光阳极光电性能研究50
• 3.3.4 不同蒸汽压样品制备光阳极光电性能研究50-51
• 3.3.5 不同氧气浓度样品制备光阳极光电性能研究51-52
• 3.3.6 氧气通入不同温度区域样品制备光阳极光电性能研究52-53
• 3.3.7 不同氮气流速制备样品光阳极光电性能研究53-54
• 3.3.8 是否通入水蒸气制备样品光阳极光电性能研究54-55
• 3.4 本章小结55-57
• 第四章 四脚状纳米ZnO/MEH-PPV光伏器件的研究57-69
• 4.1 引言57-58
• 4.2 纳米ZnO/MEH-PPV结构太阳能电池器件的制备58-61
• 4.2.1 FTO导电玻璃的清洗59
• 4.2.2 ZnO纳米四脚状的制备59
• 4.2.3 空穴传输层PEDOT：PSS薄膜的制备,烘干59-60
• 4.2.4 四脚状纳米ZnO与聚合物MEH-PPV共混溶液的配置60
• 4.2.5 有源层薄膜的制备,干燥热处理60
• 4.2.6 金属电极的制备,器件的热处理60
• 4.2.7 导线的焊接60-61
• 4.2.8 器件的测试61
• 4.3 结果与讨论61-67
• 4.3.1 共混比例对电池光电性能的影响61-63
• 4.3.2 退火温度对器件光伏性能的影响63-64
• 4.3.3 退火时间对器件光伏性能的影响64-65
• 4.3.4 不同结构的光伏器件的光电性能研究及可能机理探讨65-67
• 4.4 本章小结67-69
• 第五章 总结与展望69-73
• 5.1 总结69-71
• 5.2 目前存在的问题71
• 5.3 展望71-73
• 参考文献73-80
• 致谢80-81
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录81

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