ZnO/SnO_2核壳结构阵列的制备及其染料敏化太阳能电池性能研究

【摘要】：在积极开发新能源的今天,染料敏化太阳能电池(DSSC)以其具有较高的光电转换效率、较低的生产成本以及适合产业化生产等优势受到人们的大量关注。DSSC的光阳极材料主要包括TiO2、ZnO和Sn02等化合物半导体材料。目前为止,研究最多并且光电转换效率最高的是Ti02基DSSC,最高效率可达11%。但是由于Ti02容易光降解染料分子、电子迁移率低易造成载流子在传输过程的复合等问题阻碍了TiO2基DSSC的发展。 ZnO凭借其电子传输速度(115-155cm2V-1S-1)远高于TiO2(10-5cm2V-1S-1),带隙和导带位置与Ti02相近,并且成本低、易于产业化生产等优点而成为DSSC光阳极材料的有力竞争者。本文重点研究的一维ZnO纳米针阵列在具备ZnO纳米晶材料优点的同时,其一维结构克服了纳米颗粒薄膜中表面态、孤立的纳米颗粒和缺陷对光生电子捕获的问题,提供了载流子直接传入基底的路径,提升了载流子传输的速率并抑制了载流子的复合,从而提高了ZnO基DSSC的光电转换效率。但是,一维ZnO纳米针阵列有着化学稳定性低、易被酸碱腐蚀、对染料分子光降解作用强以及表面染料容易与Zn3+形成非正常聚集等缺点,导致其光电性能较低。针对这一问题,科研工作者们采用不同的半导体材料对ZnO纳米针进行包覆形成核壳结构,这种方法可以对ZnO进行保护,克服上述缺点。 基于上述考虑,本文以一维ZnO纳米针阵列为研究重点,进行了以下两方面研究： 1.成功制备出了多尺寸分布的ZnO纳米针阵列,并得到了效率较高的ZnO基DSSC。利用一定比例的Zn(NO3)2·6H2O、NH3· H2O和NH4F为原料,采用简单的低温水热方法,通过调控反应时间,在FTO导电玻璃上成功制备出不同长度的ZnO纳米针阵列薄膜,且阵列中纳米针为多尺寸分布,高温烧结后ZnO的结晶度得到了提高。该多尺寸分布的针状结构可大大提高薄膜对太阳光的捕获量,当用做DSSC的光阳极,DSSC电池的光电转换效率可达2.87%。研究发现,在ZnO纳米针阵列的制备过程中,NH4F的加入起着至关重要的作用,在水热条件下F对ZnO纳米针的表面进行选择性刻蚀,一方面形成了多尺寸分布的纳米针阵列,可增加对太阳光的捕获量；另一方面F-改善ZnO纳米针的表面态,有效地提高了染料的吸附量。 2.利用提拉法在ZnO纳米针外层包覆SnO2壳层,成功获得了ZnO/SnO2核壳结构纳米针阵列。通过SnO2的均匀包覆,ZnO/SnO2基DSSC的光电性能得到大幅提升,这主要应得益于Sn02非晶壳层对Zn0和染料、电解液的有效隔离以及形成向基底的电子传输隧道围栏,抑制了载流子的复合,促进了载流子向基底的迁移,ZnO/SnO2基DSSC的光电转换效率高达4.71%。 【关键词】：ZnO 纳米针 核壳结构 染料敏化太阳能电池 光阳极
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-30
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太阳能电池研究进展12-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池综述13-22
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池工作原理概述13-17
• 1.3.2 DSSC的评价指标17-18
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池研究及发展现状18-22
• 1.4 ZNO基染料敏化太阳能电池22-28
• 1.4.1 ZnO的晶体结构及性质22-24
• 1.4.2 ZnO在染料敏化太阳能电池中的应用24-26
• 1.4.3 核壳结构ZnO阵列在染料敏化太阳能电池中的应用26-28
• 1.5 论文的选题背景与主要研究内容28-30
• 第二章 ZnO纳米针阵列的水热法制备以及在DSSC中的应用30-39
• 2.1 引言30-31
• 2.2 实验部分31-33
• 2.2.1 实验药品及试剂31
• 2.2.2 实验仪器31
• 2.2.3 ZnO纳米针状阵列的水热法制备31-32
• 2.2.4 样品表征及性能测试32-33
• 2.2.5 电池的组装33
• 2.3 实验结果及讨论33-38
• 2.3.1 ZnO阵列的X射线衍射分析33-34
• 2.3.2 ZnO阵列的SEM表征34-36
• 2.3.3 ZnO阵列对染料吸附能力的测试36-37
• 2.3.4 ZnO纳米针阵列基DSSC光伏性能测试37-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第三章 ZnO/SnO_2核壳结构纳米针在DSSC中的应用39-50
• 3.1 引言39-40
• 3.2 实验部分40-42
• 3.2.1 实验药品及试剂40-41
• 3.2.2 实验仪器41
• 3.2.3 ZnO/SnO_2核壳结构纳米针的制备41
• 3.2.4 样品的表征41-42
• 3.2.5 电池的组装42
• 3.3 实验结果及讨论42-49
• 3.3.1 包覆SnO_2前后样品的X射线衍射分析42-43
• 3.3.2 包覆SnO_2前后样品的SEM表征及对比43
• 3.3.3 ZnO/SnO_2核壳结构纳米针的TEM表征43-45
• 3.3.4 ZnO/SnO_2核壳结构纳米针的EDS分析45-46
• 3.3.5 包覆SnO_2前后样品的光电性能及表征46-47
• 3.3.6 包覆SnO_2前后样品对N719吸附能力对比分析47
• 3.3.7 包覆SnO_2前后样品的阻抗分析47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 总结50-52
• 参考文献52-57
• 在校期间发表的论文及研究成果57-58
• 致谢58

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