TiO2纳米颗粒光阳极的修饰及其敏化太阳能电池性能研究

摘要

传统的染料敏化太阳能电池（DSSCs）以及无机半导体敏化太阳能电池中，通常采用 TiO2纳米颗粒作为光阳极，研究表明通过对TiO2纳米颗粒光阳极进行修饰改性，对于提高电池效率有明显的促进作用。本文在DSSC与无机半导体Cu2ZnSnS4（CZTS）敏化太阳能电池制备工艺探索的基础上，利用不同的手段对TiO2纳米颗粒光阳极进行修饰，并对光阳极修饰后的电池进行了性能研究。
　　本文首先以TiO2纳米颗粒作为光阳极，优化制备了DSSC，通过 TiO2纳米线、TiO2空心球以及GO（氧化石墨烯）修饰光阳极，系统考察了不同修饰手段对DSSC光电性能的影响。研究表明，上述几种方式修饰光阳极都使电池效率得到提升，且GO修饰后的DSSC获得了最高的光电转换效率。
　　其次，以CZTS作为敏化剂代替DSSC中的染料分子，通过自组装的方式构建了CZTS敏化太阳能电池，研究了不同分子巯基丙酸（MPA）、水合肼还原氧化石墨烯（HrGO）以及巯基化石墨烯（TrGO）修饰TiO2光阳极对CZTS敏化太阳能电池光电性能的影响。结果表明，TrGO修饰光阳极对于提高电池性能有重要的作用：TrGO一方面利用其巯基官能团吸附CZTS，产生更多的光生电子，同时利用结构本身的π环为电子提供快速的传输通道，降低了电子的复合几率，因此获得了最高的光电性能。
　　最后，采用TiO2-TrGO作为基底，通过原位生长的方式制备了TiO2-TrGO-CZTS复合结构，研究了不同溶剂、硫源以及反应时间对复合结构的影响。结果表明：TrGO的存在能够为 CZTS的生长提供有利的形核位点，CZTS纳米颗粒的尺寸明显减小并且分布量更高。原位生长过程中溶剂的表面张力对于CZTS的生长情况影响不同，最低表面张力的乙醇体系时获得的CZTS量最多，DMF其次，水最少，并且水作为溶剂时会产生CuS杂相。选用硫粉作为硫源时，产物中容易得到SnS杂相。溶剂热反应时间过短时，复合结构中也容易出现CuS杂相，延长反应时间利于得到纯净的TiO2-TrGO-CZTS复合结构，反应时间为24 h的情况下，复合结构以及电池的光电性能最高，反应时间延长到48 h，TiO2-TrGO-CZTS薄膜开始从FTO基体表面脱落，性能反而有所下降。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 太阳能电池简介

1.2 敏化太阳能电池简介

1.3 敏化太阳能电池光阳极研究现状

1.4 本论文的选题依据和研究内容

第二章 实验内容与研究方法

2.1 实验材料及设备

2.2 TiO2纳米颗粒光阳极的修饰

2.3 光阳极的敏化

2.4 敏化太阳能电池的组装

2.5 表征方法与性能测试

第三章 TiO2纳米颗粒光阳极的修饰及其

3.1 传统P25纳米颗粒光阳极制备工艺的研究

3.2 TiO2纳米线修饰光阳极及其DSSC光电性能研究

3.3 TiO2空心球修饰光阳极及其DSSC光电性能研究

3.4 GO修饰光阳极及其DSSC光电性能研究

3.5 本章小结

第四章 巯基化石墨烯修饰光阳极及自组装CZTS敏化太阳能电池性能研究

4.1 自组装式CZTS敏化电池制备工艺的研究

4.2 MPA、HrGO及TrGO修饰光阳极对自组装CZTS敏化电池的影响

4.3 TrGO制备工艺对自组装CZTS敏化电池的影响

4.4 TrGO修饰光阳极在CZTS敏化电池中的作用机理

4.5 本章小结

第五章 巯基化石墨烯修饰光阳极及原位制备CZTS敏化太阳能电池性能研究

5.1 溶剂对TiO2-TrGO-CZTS复合结构的影响

5.2 硫源对TiO2-TrGO-CZTS复合结构的影响

5.3 反应时间对TiO2-TrGO-CZTS复合结构的影响

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

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