基于TiO_2纳米线阵列结构的染料/半导体敏化太阳能电池研究

【摘要】：一维TiO_2纳米结构因其优异的光生电荷分离与输运性质和卓越的化学稳定性在太阳能转换与利用领域受到广泛关注。特别是TiO_2单晶纳米线阵列的制备与光电转换应用是近年来国内外研究的热点。本文以染料/半导体敏化TiO_2纳米线太阳能电池为研究对象，从TiO_2纳米线的可控制备、纳米线-纳米粒子复合结构增强光吸收和电荷分离、无序空腔散射层增强光利用、和构造半导体敏化固态电池等方面开展研究，探索利用TiO_2纳米线阵列实现高效率太阳能光电转换的途径。具体研究概述如下： 以钛酸纳米片作为晶种层，在SnO_2:F (FTO)导电玻璃等多种衬底表面实现TiO_2纳米线阵列的水热法制备，解决了TiO_2纳米线的生长对衬底的依赖性问题。研究表明，钛酸纳米片晶种层的引入能够抑制纳米线在FTO上生长过程中的簇集，显著增大纳米线阵列的粗糙度；另一方面纳米片层还能够覆盖裸露的FTO电极，作为阻挡层抑制I3-电解质在FTO表面的还原。以N719染料敏化纳米线阵列制备敏化太阳能电池，在AM1.5模拟太阳光下，采用纳米片晶种层的TiO_2纳米线阵列相比直接生长在FTO表面的纳米线阵列制备的电池在短路电流、开路电压和填充因子等方面均有提高，总体太阳能光电转换效率提高约3.4倍。 为提高纳米线电极的光捕获效率，进一步制备了TiO_2金红石纳米线和锐钛矿纳米粒子复合结构。以1.4微米厚度的纳米线/纳米粒子复合结构作为光阳极，制备染料敏化太阳能电池器件。在AM1.5G模拟太阳光激发下，器件的光电转换效率达到3.8%，分别是纳米线器件的2.2倍，和纳米粒子器件的1.5倍。稳态/瞬态吸收光谱和开路光电压衰减动力学研究表明，金红石纳米线和锐钛矿纳米粒子在光电转换过程中发挥着协同促进作用：一方面纳米粒子的引入提高了复合结构的光捕获效率，另一方面金红石-锐钛矿异质结能够抑制TiO_2/电解液界面和TiO_2/N719界面的电荷复合，从而提高光生电子的收集效率。 为提高TiO_2金红石纳米线和锐钛矿纳米粒子复合结构的光捕获效率，进一步在纳米线复合结构上构造具有无序空腔（空腔尺寸为200nm或450nm）结构的TiO_2纳米粒子散射层。在AM1.5G模拟太阳光激发下，染料敏化太阳能电池光电转换效率从2.62%提高到3.47%（200nm空腔）和4.07%（450nm空腔）。透过/反射光谱表征以及光电流活性谱研究表明，多孔薄膜中的空腔结构是有效的光散射中心，特别是在580-700nm波长范围内散射效果明显，从而提高了染料分子对入射光的利用效率，显著提高器件的短路光电流和光电转换效率。 为克服染料单分子层光吸收能力不足和使用液体电解质带来的器件不稳定性问题，以Sb2S3直接带隙半导体为敏化层，p-型CuI为空穴导体，制备了TiO_2纳米线/Sb2S3/CuI/Au全固态半导体敏化太阳能电池。在AM1.5G模拟太阳光激发下，器件光电转换效率达到1.2%。IPCE测试表明器件响应阈值波长为750nm，与Sb2S3带隙一致，峰值效率达到64%，优于染料敏化体系。但是由于固态器件内部严重的界面复合，其暗态电流大大高于染料敏化电池，导致器件的开路电压和填充因子偏低，仅为0.3V和42%，限制其光电转换效率。进一步采用合理的界面工程手段抑制界面复合是提高半导体敏化固态太阳能电池性能的关键。 【关键词】：太阳能电池 TiO_2纳米线阵列 染料/半导体敏化 界面电荷分离 异质结 光吸收
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 引言12-59
• 1.1 太阳能辐射及利用现状12-15
• 1.1.1 太阳能辐射12-13
• 1.1.2 太阳能辐射利用现状13-15
• 1.2 太阳能电池的发展及研究现状15-35
• 1.2.1 太阳能电池的特性15-20
• 1.2.2 太阳能电池的理论转换效率20-22
• 1.2.3 太阳能电池的发展历史和研究现状22-29
• 1.2.4 敏化太阳能电池的研究现状29-35
• 1.3 TiO_2纳米结构材料的研究进展35-44
• 1.3.1 TiO_2材料的基本性质简介35-36
• 1.3.2 TiO_2纳米结构材料的研究现状36-37
• 1.3.3 一维 TiO_2纳米结构材料的研究进展37-44
• 1.4 本论文的选题依据及主要研究内容44-46
• 参考文献46-59
• 第二章 一维 TiO_2纳米线阵列的模板生长及其染料敏化太阳能电池研究59-71
• 2.1 引言59-60
• 2.2 TiO_2纳米线阵列的模板生长60-65
• 2.2.1 实验部分60-61
• 2.2.2 结构表征61-62
• 2.2.3 纳米线阵列的模板生长机理研究62-65
• 2.3 模板生长 TiO_2纳米线阵列染料敏化太阳能电池研究65-67
• 2.3.1 染料敏化太阳能电池的制备65
• 2.3.2 染料敏化太阳能电池性能研究65-67
• 2.4 本章小结67-68
• 参考文献68-71
• 第三章 TiO_2纳米线和纳米粒子复合结构电极及其染料敏化太阳能电池研究71-87
• 3.1 引言71-72
• 3.2 TiO_2纳米线与纳米粒子复合结构电极制备及表征72-75
• 3.2.1 实验部分72-73
• 3.2.2 结构表征73-74
• 3.2.3 光谱表征74-75
• 3.3 TiO_2纳米线与纳米粒子复合结构染料敏化太阳能电池研究75-77
• 3.3.1 染料敏化太阳能电池的制备75
• 3.3.2 染料敏化太阳能电池的量子效率（IPCE）75-76
• 3.3.3 染料敏化太阳能电池性能76-77
• 3.4 TiO_2纳米线与纳米粒子复合结构染料敏化太阳能电池界面动力学研究77-80
• 3.4.1 开路光电压衰减技术77-79
• 3.4.2 瞬态吸收光谱技术79-80
• 3.5 本章小结80-82
• 参考文献82-87
• 第四章 TiO_2纳米线/纳米粒子/多孔 TiO_2纳米粒子薄膜结构光电转换性能研究87-96
• 4.1 引言87-88
• 4.2 TiO_2纳米线/纳米粒子/TiO_2纳米粒子多孔薄膜结构制备及表征88-91
• 4.2.1 实验部分88-89
• 4.2.2 结构表征89
• 4.2.3 光谱表征89-91
• 4.3 TiO_2纳米线/纳米粒子/TiO_2纳米粒子多孔薄膜结构光电转换性能研究91-93
• 4.3.1 染料敏化太阳能电池的制备91
• 4.3.2 染料敏化太阳能电池性能91-93
• 4.4 本章小结93-94
• 参考文献94-96
• 第五章 TiO_2纳米线/硫化锑（Sb2S3）/CuI 固态太阳能电池的制备及性能研究96-113
• 5.1 引言96-97
• 5.2 TiO_2纳米线/ Sb2S3/CuI 固态太阳能电池制备及表征97-102
• 5.2.1 实验部分97-98
• 5.2.2 结构表征98-102
• 5.2.3 TiO_2纳米线/ Sb2S3/CuI 固态太阳能电池的制备102
• 5.3 TiO_2纳米线/ Sb2S3/CuI 固态太阳能电池光电转换性能研究102-107
• 5.3.1 TiO_2纳米线/ Sb2S3/CuI 固态太阳能电池的光电流转换效率102-103
• 5.3.2 TiO_2纳米线/ Sb2S3/CuI 固态太阳能电池的 I-V 曲线及性能参数103-104
• 5.3.3 TiO_2纳米线/ Sb2S3/CuI 固态太阳能电池的界面分析104-107
• 5.4 本章小结107-109
• 参考文献109-113
• 第六章 总结113-115
• 致谢115-116
• 在学期间公开发表论文及参加学术会议情况116-118

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

染料敏化太阳能电池的二氧化钛膜性能研究    范乐庆,吴季怀,黄昀昉,林建明

纳米太阳能电池研究进展    孙宝,郝彦忠,李伟,王禄

共轭聚合物/纳米晶太阳能电池研究进展    孙忠月;李盛彪;王兢;程丽;

染料敏化纳米TiO_2薄膜太阳能电池的研究进展    田成邦;刘妍;毕文英;陈伟敬;

结合长度对悬浮液中电子注射效率和CA(Carotenoic Acid)-TiO_2纳米粒子体系构成的太阳能电池中太阳能转化成电能的效率的依赖性(英文)    Yasushi Koyama

导电玻璃对纳米二氧化钛薄膜太阳能电池性能的影响    沈小林;徐卫林;杨红军;

铜铟镓硒粉体的溶剂热法合成及表征    曹慧群;张一倩;樊先平;张欣鹏;胡居广;罗仲宽;刘剑洪;

世界上最大的太阳能电池厂动工兴建    章树荣

太阳能电池用高纯硅的制法    秦孝保

太阳能异步发电系统的研究    杨顺昌

半导体纳米线阵列太阳能电池复合电极的研究    王浩;

高品质氧化钨纳米线的低温定域制备工艺及单根纳米线的物性研究    刘飞;郭同义;李立方;莫小姝;甘海波;陈军;邓少芝;许宁生;

Si(001)表面上有序In纳米线阵列的制备    厉建龙;梁学锦;贾金峰;薛其坤;

自驱动纳米线紫外传感器    秦勇;白所;吴巍炜;成立;崔暖阳;

太阳能电池输出特性的分析及检测    张海波;

太阳能电池表面纳米微结构研究    李美成;

有机染料锚数对染料敏化太阳能电池性能的影响    尚会霞;罗艳红;孟庆波;占肖卫;

聚苯胺纳米线的制备与表征    姚素薇;张璐;张卫国;孔亚西;宋兆爽;

基于不锈钢基底合成锰氧化物纳米线阵列    匡莉莉;刘海凤;孙健;王凡;

直流电化学沉积法制备磁性纳米线阵列的研究    管文;龚俊锋;杨森;高博;高禄梅;宋晓平;

太阳能电池：让你用得起    李禾

日本京瓷投资天津生产太阳能电池    记者孙东民

保定成为太阳能电池生产基地    记者李斌

“三座大山”遮挡了太阳    罗兵

G杉杉 太阳能电池产能达15MW    本报记者 高晓娟

施正荣：太阳能电池价格十年内将降一半    王佑

高效能太阳能电池刷新纪录    刘学勇

多晶硅抢手 造就太阳能产业大者恒大    黄女瑛 DigiTimes

两岸太阳能电池竞赛 大陆明年大幅超越台湾    黄女瑛 DigiTimes

太阳能厂跨洋吸金 几家欢乐几家愁    黄女瑛 DigiTimes

基于TiO_2纳米线阵列结构的染料/半导体敏化太阳能电池研究    孙盼盼

低维半导体能量转换材料的可控组装及物理力学性能研究    台国安

碳化硅和氮化硅超长纳米线的制备与性能研究    李公义

低维II-VI族半导体纳米结构的控制生长    孙宏宇

磁性纳米线阵列制备及其各向异性调控研究    任勇

硒、碲及其化合物纳米线的液相化学合成和电子器件性能的研究    陶洪

金属氧化物纳米线和纳米片的制备及光电化学研究    秦冬冬

氧化锌纳米线力学性能的实验和理论纳米力学研究    莫日根

分级结构纳米线的制备、表征与器件研究    徐林

光学导波纳米线及其传感应用    谷付星

氧化锌纳米线阵列及其表面浸润性对蛋白质吸附的影响    李英华

超细磁性纳米线阵列的制备及性能研究    龚志红

多孔阳极氧化铝模板法制备纳米线阵列    杜娟

氧化铝模板的制备工艺及电沉积磁性纳米线的研究    秦刚

多孔纳米铝阳极氧化过程的研究及其在氧化锡纳米线制备中的应用    程竟然

CdS/ZnO纳米线异质结构的制备与性质研究    付洋

纳米线的制备、电学特性测试及应用    刘小丽

低维纳米材料合成、应用与理论研究    刘晗

锂离子电池正极材料LiFePO_4纳米线的制备    田野

Fe-Pd纳米线阵列的制备与磁性研究    许志兵