稀土发光材料在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：太阳能是一种清洁能源，它取之不尽、用之不竭，可以帮助人类有效解决能源和环境等问题。太阳能电池是将太阳能转变为电能的光电化学器件，得到了广泛的研究。目前，掀起了对第三代太阳能电池—染料敏化太阳能电池（DSSC）的研究热潮，其光电转换效率已经超过了12%。如何进一步提高DSSC的光电转换效率并降低它的成本是众多科研工作者努力的目标，也是亟待解决的问题之一。提高DSSC光电转换效率的措施有很多，常见的有优化电池的结构，比如寻找和制备新型的n-型半导体、合成新染料、制备新的电解质等；扩大染料的光谱吸收范围。目前，在众多用于DSSC的染料中，最好的染料通常也只能吸收300–800nm范围的光，因而致使很大波长范围内的红外光和紫外光没有得到有效的利用。如何充分利用太阳光，对DSSC转换效率的提高有着重要的意义和研究价值。 本文分别以氟化钇、氧化钇为基质，通过高温煅烧法、水热-煅烧法和水热法制备了三种不同的稀土发光粉，并将其添加到DSSC中，利用上下转换发光的作用，提高了电池对光的吸收及电池的光电流。同时，三价稀土离子的加入也导致了DSSC中光阳极平带电势的负向移动和费米能级的提高，提高了DSSC的开路电压。因此，稀土发光粉的加入提高了DSSC的光电转换效率。 （1）通过高温煅烧法制备了Er~(3+)和Yb~(3+)共掺杂的YF3:(Yb~(3+), Er~(3+))上转换发光粉。将其添加到了DSSC中，提高了红外光的利用率和电池的光电流。同时，三价稀土离子的P-型掺杂作用，提高了DSSC的开路电压。在100mW·cm~(-2)(AM1.5)的模拟太阳光下，当YF3:(Yb~(3+), Er~(3+))的掺杂量为7wt.%时，电池的光电转换性能最佳，光电转换效率达到了7.90%，比掺杂前提高了35%。在红外光照射下（33mW·cm~(-2)），光电转换效率从原来的0.055%提高到了0.226%。 （2）采用水热-煅烧法制备了Y2O3:Er~(3+)纳米棒状上转换发光粉，并将其引入到了DSSC中。通过测试该发光粉的XRD、SEM、TEM、HRTEM、SAED、EDS、激发光谱和发射光谱等，研究了它的物相、形貌特征和光学性能等。通过改变发光粉的添加量，研究了DSSC的性能随Y2O3:Er~(3+)掺杂量的改变而变化的情况。结果表明，当Y2O3:Er~(3+)的加入量为5wt.%时，DSSC的光电转换效率最大,达到了7.004%，比未掺杂的提高了20%。在33mW·cm~(-2)的红外光照射下，光电转换效率从原来的0.055%提高到了0.168%。 （3）采用水热法，制备了下转换发光粉YF3:Eu~(3+)，以提高DSSC的稳定性和对紫外光的利用率。当YF3:Eu~(3+)在DSSC中的掺杂量为5wt.%的时候，电池的性能最佳，光电转换效率最大。在100mW·cm~(-2)的模拟太阳光下，光电转换效率从5.841%提高到7.741%，提高了32%。在紫外光（24mW·cm~(-2)）照射下，光电转换效率从原来的0.373%提高到了0.557%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 稀土氟化物 稀土氧化物 上下转换P-型掺杂
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理11-12
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构11
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理11-12
• 1.3 染料敏化太阳能电池中的光阳极12-13
• 1.4 染料敏化太阳能电池中的染料分子13-14
• 1.5 染料敏化太阳能电池中的电解质14-15
• 1.6 染料敏化太阳能电池中的对电极15-16
• 1.7 稀土发光材料16-22
• 1.7.1 稀土发光材料简介16
• 1.7.2 稀土发光材料的基质16-21
• 1.7.3 稀土发光材料的激活剂21
• 1.7.4 稀土发光材料的敏化剂21-22
• 1.8 本论文的研究目的及研究内容22-24
• 第2章 染料敏化太阳能电池的制备与表征24-30
• 2.1 DSSC 各部分的制备和组装24-25
• 2.1.1 导电玻璃的预处理24
• 2.1.2 光阳极的制备24
• 2.1.3 电解质的配制24
• 2.1.4 敏化剂24-25
• 2.1.5 对电极的制备25
• 2.1.6 DSSC 的组装25
• 2.2 染料敏化太阳能电池的性能测试25
• 2.3 染料敏化太阳能电池的性能指标25-28
• 2.3.1 开路电压和短路电流26
• 2.3.2 填充因子26-27
• 2.3.3 总光电转换效率27
• 2.3.4 DSSC 的 I-V 特性曲线27
• 2.3.5 TiO2膜的平带电势和饱和电流密度27-28
• 2.4 DSSC 的性能测试及其表征28
• 2.4.1 X-射线（XRD）衍射分析28
• 2.4.2 样品形貌的观察28
• 2.4.3 荧光光谱分析28
• 2.4.4 I-V 特性曲线的测量28
• 2.4.5 DSSC 的平带电势和饱和电流密度的测量28
• 2.5 主要的实验仪器和药品28-30
• 2.5.1 主要的实验仪器28-29
• 2.5.2 主要的实验药品29-30
• 第3章 YF3:(Yb3+,Er3+)在染料敏化太阳能电池中的应用30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 实验部分30-32
• 3.2.1 TiO2胶体的制备30-31
• 3.2.2 上转换发光粉 YF3:(Yb3+, Er3+)的制备31
• 3.2.3 上转换发光电极的制备31-32
• 3.2.4 DSSC 的组装及其光电性能测试32
• 3.3 结果与讨论32-42
• 3.3.1 YF3:(Yb3+, Er3+)发光粉的 XRD 图32-33
• 3.3.2 YF3:(Yb3+, Er3+)发光粉的光学性能33-35
• 3.3.3 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲线和电流-电压曲线35-38
• 3.3.4 YF3:(Yb3+, Er3+)发光粉的加入对 DSSC 光电性能的影响38-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 Y2O3:Er3+纳米棒在染料敏化太阳能电池中的应用44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 实验部分44-45
• 4.2.1 TiO2胶体的制备44
• 4.2.2 Y2O3:Er3+纳米棒的制备44-45
• 4.2.3 上转换发光电极的制备45
• 4.2.4 DSSC 的组装及光电性能测试45
• 4.3 结果与讨论45-56
• 4.3.1 Y2O3:Er3+发光粉的 XRD 图谱45-46
• 4.3.2 Y2O3:Er3+发光粉的形貌分析46-47
• 4.3.3 Y2O3:Er3+发光粉的光学性能47-50
• 4.3.4 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲线和电流-电压曲线50-52
• 4.3.5 Y2O3:Er3+发光粉的加入对 DSSC 光电性能的影响52-56
• 4.4 本章小结56-58
• 第5章 YF3:Eu3+在染料敏化太阳能电池中的应用58-69
• 5.1 引言58
• 5.2 实验部分58-59
• 5.2.1 TiO2胶体的制备58
• 5.2.2 下转换发光粉 YF3:Eu3+的制备58-59
• 5.2.3 下转换发光电极的制备59
• 5.2.4 DSSC 的组装及光电性能测试59
• 5.3 结果与讨论59-68
• 5.3.1 YF3:Eu3+发光粉的 XRD 图59-60
• 5.3.2 YF3:Eu3+发光粉的光学性能60-62
• 5.3.3 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲线和电流-电压曲线62-64
• 5.3.4 YF3:Eu3+发光粉的加入对 DSSC 光电性能的影响64-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第6章 总结69-72
• 参考文献72-82
• 致谢82-84
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果84-85

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