多分散性尺寸分布氧化锌薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

摘要

从1991年开始，具有制作工艺简单、成本低廉以及性能稳定等优点的染料敏化太阳能电池(DSSC)逐渐成为太阳能电池领域研究的焦点。为了提高DSSC的光电转换效率，科研工作者们进行了大量的研究。
　　DSSC的光阳极半导体材料主要是TiO2、 ZnO、SnO2、 Nb2O5、 SrTiO3等氧化物半导体材料。目前研究最多并且光电转换效率最高的是TiO2基DSSC，最高效率为12.3％。但是TiO2电子迁移率低、存在大量表面态、容易光降解染料分子，阻碍了TiO2基DSSC的发展。在多种半导体材料中，ZnO的带隙和导带位置与TiO2相近，是环境友好型材料，成本低廉，同时它还具有较高的电子迁移率，有利于电子的传输和降低复合损失，并且ZnO具有易结晶性和各向异性生长的特点，可以通过灵活的合成方法拥有各种不同的形态。所以ZnO是最具潜力替代TiO2的DSSC光阳极半导体材料。
　　本论文从光阳极半导体材料入手，制备了一种由等级结构ZnO微米球和ZnO纳米颗粒交织组成的多分散性尺寸分布的ZnO材料，并将锂盐引入到ZnO生长溶液中以对ZnO进行改性，改性后ZnO基DSSC光电转换效率得到了较大的提高。本文主要由两部分组成:
　　1.利用水热法成功制备了由直径为0.4～1.2μm左右的ZnO球和18 nm左右的ZnO纳米颗粒交织组成的多分散性尺寸分布的ZnO粉末。配制成浆料后，用刮刀法涂膜，用胶带控制厚度，分别制备了厚度为4.3μm、8.29μm、12.04μm和16.21μm的薄膜。通过SEM、XRD、UV-vis absorption spectral等手段对样品进行表征。把样品组装成DSSC后，在膜厚为12.04μm时获得3.22％的能量转换效率。通过紫外可见吸收光谱和染料解吸附实验，进一步解释了薄膜厚度对电池光电性能的影响。
　　2.为了对水热法制备出的多分散性尺寸分布的ZnO进行改性，将锂盐引入到制备ZnO的反应溶液中，获得的样品命名为Li-ZnO。经过XRD、SEM、XPS、TEM等的表征，证明Li离子对ZnO纳米多孔薄膜的晶型、颗粒大小、比表面积、化学稳定性等均有影响。将同等厚度的ZnO和Li-ZnO样品染料敏化后组装成DSSC，在AM1.5标准模拟太阳光下进行光电性能测试，发现锂离子对电池的光电流大小影响效果明显，获得了4.65％的能量转换效率。通过BET测试及电化学分析，进一步证明Li-ZnO材料具有较大的比表面积，稳定的化学性质和较小的传输电阻，比较适合作为太阳能电池的工作电极。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池

1．2．1 太阳能电池概况

1．2．2 太阳能电池的相关基本概念

1．3 DSSC的结构及其工作原理

1．4 ZnO基DSSC的研究现状

1．5 本课题的选题依据及主要研究内容

第二章 多分散性尺寸分布ZnO的制备及其在DSSC中的应用研究

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 主要实验试剂

2．2．2 主要实验仪器

2．2．3 实验方法

2．2．4 DSSC电池器件的组装

2．2．5 样品的表征及电池性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 ZnO膜的SEM和TEM形貌分析

2．3．2 ZnO晶体结构分析(XRD)

2．3．3 薄膜的厚度对光电转换效率的影响与表征

2．3．4 薄膜的厚度对膜的可见光吸收能力的影响

2．3．5 染料的吸附性能实验

2．4 结论

第三章 锂离子对多分散性尺寸分布ZnO基DSSC的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验方法

3．2．4 染料吸附及电池器件的组装

3．2．5 薄膜的表征及电池性能测试

3．3 结果与分析

3．3．1 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的XRD表征

3．3．2 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的SEM和TEM分析

3．3．3 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的比表面积研究

3．3．4 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的XPS分析

3．3．5 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜光阳极应用于DSSC

3．3．6 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的染料吸附性能实验

3．3．7 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜漫反射光谱分析

3．3．8 ZnO和Li-ZnO多孔薄膜的交流阻抗谱分析

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢