WO_3染料敏化纳米晶太阳能电池的制备及性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池因其简单的制作工艺及廉价的制作成本,成为太阳能光电转换领域的研究热点,其中光阳极材料是影响染料敏化太阳能电池转换效率的关键因素,因此本文选取具有优良的电子传输性能和光电化学性质的WO3半导体作为染料敏化太阳能电池的工作电极。此外,利用非金属掺杂可有效提高WO3的光吸收性能和电子传输性能,从而改善WO3的光电化学性质,进而提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。 本文以偏钨酸铵为钨源,十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂,通过水热烧结法制备不同粒径的纳米WO3粉体。然后添加分散剂、粘结剂等配制WO3浆料,利用简单的刮涂法成功制备出WO3纳米晶薄膜电极,并采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线能谱分析(XPS)以及紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱等手段进行表征。研究发现,WO3粉体粒径是影响薄膜光电性能的重要因素。当热处理温度为650℃的粉体制备成膜时,样品表现出最优良的光电性能,光电流密度2.5mA/cm2,载流子浓度值达3.45×1020cm-3,平带电位为0.46V。以尿素为N源加入WO3粉体浆料中,利用粉末涂敷法制得N掺杂WO3薄膜,并进一步研究了不同N掺杂量对WO3薄膜电化学性能的影响。结果表明,制备的N掺杂WO3薄膜是取代型N掺杂；当N/W比1%时,其禁带宽度为2.5eV左右,其光电流密度是未掺杂WO3薄膜的1.5倍左右。 在上述研究的基础上,分别以WO3以及N-WO3纳米晶薄膜吸附N719染料作为工作电极,I3-/I-氧化还原对为电解质,铂电极为对电极,成功组装成简单的三明治式染料敏化太阳能电池,通过I-V曲线、单色光光电转换效率(IPCE)的测试来研究工作电极膜厚对电池性能的影响。研究表明,当W03以及N-W03纳米晶薄膜膜厚为7μm时为最佳膜厚,在波长500nm处光电转换效率分别可达19%和28%。 【关键词】：三氧化钨 纳米晶薄膜光阳极 氮掺杂 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 染料敏化太阳电池的工作原理及结构10-13
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构10-11
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理11-12
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池的性能参数12-13
• 1.3 WO_3多孔纳米晶薄膜的制备方法研究进展13-17
• 1.3.1 物理方法13-14
• 1.3.2 化学方法14-17
• 1.4 WO_3多孔纳米晶薄膜的改性方法研究进展17-20
• 1.4.1 染料敏化剂敏化法17-18
• 1.4.2 离子掺杂法18
• 1.4.3 半导体复合法18-19
• 1.4.4 贵金属沉积法19-20
• 1.5 本论文的研究目的和研究内容20-21
• 第二章 实验及测试方法21-28
• 2.1 实验仪器与设备21
• 2.2 实验试剂21-23
• 2.3 实验制备方法23-25
• 2.3.1 WO_3纳米晶薄膜的制备23-24
• 2.3.2 N掺杂WO_3纳米晶薄膜的制备24
• 2.3.3 染料敏化太阳能电池的组装24-25
• 2.4 薄膜结构表征及性能测试25-28
• 2.4.1 热重-差示扫描量热分析25
• 2.4.2 晶体结构表征25
• 2.4.3 扫描电子显微镜表征25-26
• 2.4.4 高分辨透射电子显微镜表征26
• 2.4.5 紫外可见漫反射测试26
• 2.4.6 X-射线光电子能谱分析26
• 2.4.7 光电化学性质测试26
• 2.4.8 I-V特性曲线测试26-27
• 2.4.9 单色光光电转换效率测试(IPCE)27-28
• 第三章 WO_3纳米晶薄膜电极的制备及其光电化学性质28-41
• 3.1 引言28
• 3.2 实验方法28-29
• 3.2.1 WO_3纳米粉体的制备28-29
• 3.2.2 WO_3浆料及纳米晶薄膜电极的制备29
• 3.2.3 WO_3纳米晶薄膜电极的表征29
• 3.3 结果与讨论29-39
• 3.3.1 前驱体TG-DTA分析29-30
• 3.3.2 WO_3纳米晶薄膜的结构和形貌表征30-33
• 3.3.3 WO_3纳米晶薄膜的比表积表征33-35
• 3.3.4 WO_3纳米晶薄膜的UV-Vis吸收光谱35
• 3.3.5 WO_3纳米晶薄膜的光电化学性质测试35-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第四章 氮掺杂WO_3纳米晶薄膜电极的制备及其光电化学性质41-52
• 4.1 引言41-42
• 4.2 实验方法42
• 4.2.1 WO_3纳米粉体的制备42
• 4.2.2 WO_3浆料及N掺杂纳米晶薄膜电极的制备42
• 4.2.3 N掺杂WO_3纳米晶薄膜电极的表征42
• 4.3 结果与讨论42-51
• 4.3.1 N掺杂WO_3纳米晶薄膜的结构和形貌表征42-44
• 4.3.2 N掺杂WO_3纳米晶薄膜的光学特性44-45
• 4.3.3 N掺杂WO_3纳米晶薄膜的XPS分析45-46
• 4.3.4 N掺杂WO_3纳米晶薄膜的光电化学性质测试46-47
• 4.3.5 不同热处理温度对N掺杂WO_3纳米晶薄膜结构和形貌的影响47-49
• 4.3.6 不同热处理温度对N掺杂WO_3纳米晶薄膜光学特性的影响49-50
• 4.3.7 不同热处理温度对N掺杂WO_3纳米晶薄膜光电特性的影响50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 基于WO_3染料敏化纳米晶太阳能电池的组装及性能研究52-64
• 5.1 引言52
• 5.2 实验方法52-54
• 5.2.1 WO_3纳米粉体和浆料的制备52-53
• 5.2.2 染料敏化不同膜厚WO_3纳米晶薄膜的制备53
• 5.2.3 染料敏化不同膜厚N掺杂WO_3纳米晶薄膜的制备53
• 5.2.4 染料敏化太阳能电池的组装53-54
• 5.3 实验结果与讨论54-63
• 5.3.1 WO_3纳米粉体的结构表征54
• 5.3.2 不同膜厚WO_3和N掺杂WO_3纳米晶薄膜的结构和形貌表征54-56
• 5.3.3 染料敏化WO_3纳米晶薄膜的光学特性56-58
• 5.3.4 染料敏化太阳能电池的I-V曲线测试58-60
• 5.3.5 染料敏化太阳能电池的光电转换效率(IPCE)60-62
• 5.3.6 最佳膜厚的选择62-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第六章 结论64-65
• 参考文献65-76
• 致谢76-77
• 攻读学位期间主要的研究成果77

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