Au/TiO_2复合薄膜的制备及太阳能电池光电性能的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)由于它的价格低、质量轻、制作简单、弱光下可以工作等优点得到迅猛发展,成为可再生能源科学研究的一大热点。这种新型的光电化学太阳能电池作为多组分结构的体系,还存在很多的问题需要考虑。基于贵金属纳米粒子的表面等离子共振效应(SPR)与半导体表面电磁场的相互耦合谐振,增加对入射光的吸收和提高电子在太阳能电池中传输作用,进而提高DSSC的光电转换效率。 本文通过溶胶水热法合成纳米TiO_2溶胶并配合有机高分子分散剂(PVA)得到镀膜用溶胶,运用电流体动力学(EHD)制备了性能优异的具有多孔结构的纳米TiO_2薄膜。通过晶体衍射分析(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见光吸收光谱(UV-vis)等结果表明:水热法合成纳米TiO_2颗粒分布比较均匀,使用EHD制备的纳米晶TiO_2多孔薄膜中具有连续分布状态的多级结构特征,并表现出良好的光散射性质。使用柠檬酸钠还原氯金酸合成不同粒径的Au纳米粒子,并通过溶剂组装法将Au纳米粒子组装在具有多孔结构的TiO_2薄膜上,利用透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)分别观察Au纳米粒子的粒径尺寸以及它们在多孔TiO_2薄膜的分布状况,通过紫外可见光谱仪(UV-vis)、X射线光电子能谱仪(XPS)和X-ray衍射分析表明Au纳米粒子已经组装到TiO_2薄膜上,而且大部分分布在薄膜表面,在薄膜表面分散比较均匀。将Au纳米粒子修饰的TiO_2薄膜电极、敏化染料、电解质和对电极组装成染料敏化太阳能电池,并通过伏安特性(I-V)曲线、单色光的光电转换效率(IPCE)曲线和电化学阻抗(Nyquist)曲线的分析,证明多孔TiO_2薄膜的电磁场与Au纳米粒子的表面等离子共振(SPR)相互耦合能增强光吸收和有利于电荷传输,Au纳米粒子的添加有助于电池光电转换效率的提高,在模拟太阳光强度为100mW/cm~2下,得到6.70%的光电转换效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 金纳米粒子 二氧化钛 表面等离子共振
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4;O484.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 国内外的研究发展12-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理13-15
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的结构13
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的工作原理13-15
• 1.4 染料敏化太阳能电池待解决的问题15-16
• 1.4.1 透明导电基板15
• 1.4.2 纳米晶半导体材料薄膜15
• 1.4.3 敏化染料15
• 1.4.4 电解质15-16
• 1.4.5 对电极16
• 1.5 本论文的研究内容16-17
• 第2章 Ti0_2光阳极薄膜的制备17-26
• 2.1 引言17
• 2.2 原料及实验仪器17-18
• 2.2.1 实验原料17-18
• 2.2.2 实验仪器18
• 2.3 Ti0_2 溶胶与薄膜的制备18-20
• 2.3.1 水热法制备纳米Ti0_2 溶胶18-19
• 2.3.2 纳米Ti0_2 光阳极薄膜制备的前期准备19
• 2.3.3 EHD 技术制备Ti0_2 多孔结构薄膜19-20
• 2.4 测试结果与讨论20-25
• 2.4.1 XRD 晶型测试分析20-21
• 2.4.2 纳米Ti0_2 粉体的TEM 分析21-22
• 2.4.3 纳米Ti0_2 粉体的SEM 分析22-23
• 2.4.4 孔隙分布分析23-24
• 2.4.5 薄膜的紫外-可见光吸收光谱24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 Au 纳米颗粒的制备及在Ti0_2上的组装26-36
• 3.1 引言26
• 3.2 Au 纳米粒子的性质及制备方法26-29
• 3.2.1 Au 纳米粒子的性质26-27
• 3.2.2 Au 纳米粒子的制备方法27
• 3.2.3 Au 纳米粒子修饰电极27-28
• 3.2.4 Au 纳米粒子在氧化钛薄膜上的自组装28-29
• 3.3 实验部分29-30
• 3.3.1 实验原料29
• 3.3.2 实验仪器29
• 3.3.3 柠檬酸钠法合成Au 纳米粒子29-30
• 3.3.4 溶剂自组装法组装Au 纳米粒子30
• 3.3.5 实验的测试方法30
• 3.4 测试结果与讨论30-34
• 3.4.1 Au 纳米粒子的TEM30-31
• 3.4.2 不同粒径Au 纳米粒子修饰Ti0_2 薄膜的紫外吸收光谱31-32
• 3.4.3 Au 纳米粒子修饰的Ti0_2 薄膜的SEM32-33
• 3.4.4 修饰的Ti0_2 薄膜前后的XPS33
• 3.4.5 Ti0_2 薄膜修饰前后的XRD 晶型测试分析33-34
• 3.5 本章小结34-36
• 第4章 组装DSSC 电池36-47
• 4.1 引言36
• 4.2 实验方法36-39
• 4.2.1 短路电流I_(SC)和开路电压V_(OC)36-37
• 4.2.2 单色光的光电转换效率IPCE37
• 4.2.3 DSSC 的I-V 曲线37-39
• 4.3 实验部分39-42
• 4.3.1 实验原料39
• 4.3.2 实验仪器39-40
• 4.3.3 染料敏化太阳能电池DSSC 的制备40-41
• 4.3.4 DSSC 的电学特性的测试41-42
• 4.4 测试结果与讨论42-46
• 4.4.1 多孔Ti0_2 膜厚对短路电流和开路电压的影响42-43
• 4.4.2 DSSC 的I-V 曲线和电性能测定43-44
• 4.4.3 DSSC 的IPCE 分析44-45
• 4.4.4 DSSC 的电荷传输行为分析45-46
• 4.5 本章小结46-47
• 结论47-48
• 参考文献48-53
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文53-54
• 致谢54

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