金属氧化物修饰的染料敏化TiO2薄膜太阳能电池的制备与研究

摘要

太阳能电池是目前最有效的利用太阳能的一种形式。目前光电转换效率最高的是硅基太阳能电池，但生产工艺复杂，成本居高不下，为此限制了其民用化进程。染料敏化TiO2纳米晶薄膜太阳能电池，具有成本低廉和环境友好等优点，是硅基太阳能电池的潜在替代品。
　　本论文采用水热法合成纳米级TiO2颗粒，向其中加入有机高分子分散剂聚乙烯醇(PVA)，通过刮涂法制备表面平整度较高的TiO2多孔膜光阳极，依据吸附原理制备了MgO/TiO2、 ZnO/TiO2复合薄膜。结构测试手段包括:X射线衍射分析、扫描电镜显微分析、激光粒度分布仪分析;光学性能测试手段包括:可见光光度计分析、I-V曲线测试仪分析。通过上述测试手段对试样的颗粒粒径、晶体类型、表面形貌、吸光性能、掺杂性能及I-V性能进行测试，结果如下所示。
　　水热法合成的TiO2为锐钛矿型，颗粒尺寸为纳米级。采用刮涂法制备的TiO2光阳极薄膜表面平整度较高且结构均匀，膜厚约为10μm。多孔膜主要以TiO2团簇形式存在，团簇尺寸为纳米级。在制备光阳极薄膜过程中，通过向溶胶中加入PVA，可以有效的形成孔洞，降低粒子间团聚现象，利于电子的传输及染料的吸附。对TiO2光阳极进行光电性能测试，光电转换效率为3.15％，短路电流为7.8mA/cm2，开路电压为0.493V，填充因子为61.04％。
　　利用氧化镁、氧化锌分别对上述TiO2光阳极薄膜进行表面修饰，改变浸渍时间和烧结温度以制备出性能优良的复合薄膜光阳极。结果表明:实验制备的MgO/TiO2、 ZnO/TiO2复合薄膜的表面平整度较高，两种氧化物存在于TiO2多孔膜的表面结构中，通过吸附方法制备的MgO、ZnO颗粒自身团聚程度较小。对复合薄膜光阳极进行光电性能测试，其中MgO/TiO2复合光阳极的光电转换效率为4.04％，短路电流为9.32mA/cm2，开路电压为0.505V，填充因子为64.3％;ZnO/TiO2复合光阳极的光电转换效率为3.93％，短路电流为10.68 mA/cm2，开路电压为0.487V，填充因子为56.68％。
　　通过将上述三种光阳极的光电性能进行对比，可以看出MgO/TiO2复合光阳极的光电转换效率同TiO2光阳极相比提高了28.25％，ZnO/TiO2复合光阳极的光电转换效率同TiO2光阳极相比提高了24.76％。由此可知:染料敏化太阳能电池的TiO2光阳极薄膜通过金属氧化物的修饰，光生电子的复合和光生电子的传输分别得到了改善，电池的光电转换效率进一步提高，其中通过MgO修饰的复合光阳极光电性能更为优越。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 太阳能电池研究现状

1．3 染料敏化太阳能电池的工作过程

1．3．1 染料敏化太阳能电池的结构

1．3．2 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影响因素

1．4．1 半导体光阳极材料

1．4．2 染料敏化剂

1．4．3 电解质

1．4．4 对电极

1．4．5 电池内部复合反应

1．5 立题思想及主要研究内容

第2章 实验样品的制备与表征

2．1 实验原料及仪器设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 仪器设备

2．2 TiO2光阳极薄膜的制备

2．2．1 FTO导电玻璃的处理

2．2．2 TiO2致密膜的制备

2．2．3 TiO2多孔膜的制备

2．3 MgO／TiO2、ZnO／TiO2复合薄膜的制备

2．4 染料的制备

2．5 电解液的制备

2．6 染料吸附及电池组装

2．7 测试方法及表征手段

2．7．1 X射线衍射分析

2．7．2 扫描电镜显微分析

2．7．3 可见光光度计测试分析

2．7．4 激光粒度分布仪测试分析

2．7．5 光电性能测试分析

2．8 本章小结

第3章 TiO2光阳极薄膜结构及光电特性分析

3．1 TiO2粉体的物相分析

3．2 TiO2光阳极薄膜的形貌分析

3．3 TiO2粉体的粒度分析

3．4 TiO2光阳极薄膜的吸光性能分析

3．5 TiO2光阳极薄膜的光电性能分析

3．6 本章小结

第4章 MgO／TiO2、ZnO／TiO2复合薄膜结构及光电特性分析

4．1 MgO、ZnO粉体的物相分析

4．1．1 MgO粉体的物相分析

4．1．2 ZnO粉体的物相分析

4．2 MgO／TiO2、ZnO／TiO2复合薄膜的形貌分析

4．2．1 MgO／TiO2复合薄膜的形貌分析

4．2．2 ZnO／TiO2复合薄膜的形貌分析

4．3 MgO、ZnO粉体的粒度分析

4．3．1 MgO粉体的粒度分析

4．3．2 ZnO粉体的粒度分析

4．4 MgO／TiO2、ZnO／TiO2复合薄膜的吸光性能分析

4．4．1 MgO／TiO2复合薄膜的吸光性能分析

4．4．2 ZnO／TiO2复合薄膜的吸光性能分析

4．5 MgO／TiO2、ZnO／TiO2复合薄膜的光电性能分析

4．5．1 MgO／TiO2复合薄膜的光电性能分析

4．5．2 ZnO／TiO2复合薄膜的光电性能分析

4．6 MgO／TiO2、ZnO／TiO2、TiO2薄膜光电性能对比

4．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢