ZnO基纳米复合光阳极的制备及在DSSCs中的应用

摘要

作为第三代光伏器件，染料敏化太阳能电池(DSSC)具有原材料丰富、制作成本低、工艺简单等特点，应用前景广阔。DSSC主要由多孔半导体薄膜光阳极、含I-/I3-电解质和Pt涂覆的对电极组成。其中，光阳极作为DSSC的核心组成部分，对吸附染料、光捕获、传输电子和收集电子都起到了至关重要的作用。ZnO具有电子迁移率高、形貌多样可控、制备方法简单等特点，被认为是最有希望取代TiO2的光阳极材料。目前ZnO基DSSC的效率普遍偏低，有必要对其进行系统的研究，为其在光伏器件领域的应用奠定基础。
　　近年来，通过复合纳米材料的方式对DSSC光阳极的性能进行优化已成为提高DSSC转换效率的有效途径之一。本文将具有不同特性的纳米功能材料与ZnO纳米粒复合制备光阳极，以提高光阳极的电输运性能、光吸收率、实现DSSC的多种能量转换，来提升DSSC的性能。主要工作如下：
　　本文通过“刮膜法”制备了三种复合光阳极，分别为：ZnO纳米粒/石墨烯纳米片复合光阳极、ZnO纳米粒/Ag纳米线@ZnO纳米核壳材料复合光阳极以及ZnO纳米粒/Bi2Te3纳米片复合光阳极，并应用于DSSC。利用XRD、SEM、TEM、Raman、PL和UV-vis等方法表征了这些复合光阳极薄膜的结构、形貌、成分以及光吸收率，采用电流-电压输出特性(J-V)、电化学阻抗谱(EIS)测试了DSSC的光电转换效率和电输运性能，分别研究了三种光阳极中石墨烯纳米片、Ag纳米线@ZnO纳米棒核壳材料以及Bi2Te3纳米片复合含量对DSSC性能的影响。得到的主要结果如下：
　　①制备了不同石墨烯纳米片含量（0.0-2.0 wt.％）的ZnO纳米粒/石墨烯纳米片复合光阳极，应用于DSSC。J-V测试结果表明，石墨烯的加入能有效地提高DSSC的效率。在石墨烯含量为1.0 wt.%时，获得最高的能量转化效率（3.50%），比纯ZnO光阳极的效率高31%。EIS结果指出，光阳极中的石墨烯纳米片能有效提高电子收集效率和传输速率，从而提高电子输运能力。
　　②采用水热法制备得到了高长径比的Ag纳米线（直径：约100 nm,长：若干微米）。在此基础上通过两步热溶剂法合成了Ag纳米线@ZnO纳米棒的纳米核壳结构，其中作为壳的ZnO纳米棒长100-200 nm，直径约20 nm。
　　③将不同质量比（0-2.5 wt.%）的Ag纳米线@ZnO纳米棒核壳材料与ZnO纳米粒复合制备光阳极。UV-vis吸收谱和模拟计算分析结果显示，Ag纳米线的表面等离子体效应（表面等离子体共振，表面等离子体激元极化）能有效的提高复合光阳极中光吸收率和光的传播距离。
　　④制备了基于Ag纳米线@ZnO纳米棒核壳材料复合光阳极的DSSCs，并研究核壳材料含量对DSSC性能的影响。J-V特性曲线结果指出，Ag纳米线@ZnO纳米棒的加入，有效的提高了电池的短路电流和光电转换效率，其中，含Ag纳米线@ZnO纳米棒浓度为1.5 wt.%的DSSC获得最高的光电转化效率(η=4.26%)，较纯ZnO基光阳极DSSC的η高出50.5%。EIS测试结果进一步指出，作为核的Ag纳米线为电子的快速传输提供了直接通道，有效的加快了光阳极中电子的转移和传输速度，减少了电子的复合。
　　⑤利用水热法成功的合成了边长为300-400 nm，对边距离为500-600 nm的正六边形Bi2Te3纳米片。并制备了不同Bi2Te3浓度(0-0.25at.%)的ZnO纳米粒/Bi2Te3纳米片复合光阳极，应用于DSSC。光阳极的漫反射测试结果显示，Bi2Te3纳米片的加入有效的提高了光阳极薄膜的漫反射率，加强了光阳极对光的捕获能力。J-V特性分析结果表明：经过Bi2Te3纳米片修饰的DSSCs具有更高的光电转换效率。在Bi2Te3的含量为0.15 at.%时，相应的DSSC获得最高转换效率为4.10%，比纯ZnO的高出46.95%。对DSSCs的热电效应研究显示，Bi2Te3的加入能够同时实现光电和热电的同时转换，有效降低了电池的温度，提高了光阳极中电子浓度和电池稳定性。EIS结果进一步说明，Bi2Te3的加入能延长电子寿命，抑制电荷复合，提高电子传输效率。

目录

1 绪 论

1.1引言

1.2染料敏化太阳能电池的结构

1.3染料敏化太阳能电池的工作原理

1.4染料敏化太阳能电池的性能参数

1.5基于ZnO纳米粒复合光阳极的DSSC的国内外研究现状

1.6论文研究意义及主要内容

2 基于ZnO纳米粒复合光阳极的制备、DSSC的封装及表征

2.1 ZnO纳米颗粒浆料的制备

2.2基于ZnO纳米粒/石墨烯纳米片复合光阳极的制备

2.3 基于ZnO纳米粒/Ag纳米线@ZnO纳米棒核壳材料复合光阳极的制备

2.4 基于ZnO纳米粒/Bi2Te3纳米片复合光阳极的制备

2.5 DSSC的封装

2.6 实验试剂与设备

2.7表征技术

3 基于ZnO纳米粒/石墨烯纳米片复合光阳极的DSSCs

3.1 引言

3.2 ZnO纳米粒/石墨烯纳米片复合光阳极的结构、形貌

3.3 石墨烯纳米片的含量对DSSCs性能的影响

3.4本章小结

4 基于ZnO纳米粒/Ag纳米线@ZnO纳米棒核壳材料复合光阳极的DSSCs

4.1 引言

4.2 Ag纳米线@ZnO纳米棒核壳材料的结构及形貌

4.2 Ag纳米线@ZnO纳米棒核壳材料含量对复合光阳极光学性能的影响

4.3 Ag纳米线@ZnO纳米棒核壳材料含量对DSSCs性能的影响

4.4 本章小结

5 基于ZnO纳米粒/Bi2Te3纳米片复合光阳极的DSSCs

5.1 引言

5.2 Bi2Te3纳米片的结构及形貌

5.3 Bi2Te3纳米片复合含量对DSSCs性能的影响

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 后续工作与展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B．作者在攻读硕士期间参加的科研项目