近红外光响应的柔性纤维状光伏电池:设计、组装以及光电性能测试

摘要

柔性纤维状光伏电池具有质量轻、生产制造成本低，可编织性等优点，近年来吸引人们的关注。但是，目前国内外对纤维状光伏电池的研究还处于起步阶段，仍存有一些问题，例如不能有效吸收近红外光、对太阳光谱的利用率低等。
　　本论文设计出一种近红外光响应的柔性纤维状光伏电池，将稀土上转换发光材料引入纤维状光伏电池中，不仅能提高其对近红外光的吸收能力，同时可以拓展纤维电池在生物电源领域中的应用。该电池的组装分为以下四个步骤。
　　第一步:首先采用镱铒双掺作为稀土激活离子、碲酸盐玻璃作为基质材料，拉制出具有上转换发光的玻璃纤维作为纤维状光伏电池的衬底材料，该种玻璃纤维具有很好的柔性，可以大幅度弯曲，在980nm激光器的激发下可发出肉眼可见的绿色光。随后以这种上转换发光玻璃纤维用作近红外光响应的纤维状光伏电池的衬底。
　　第二步:通过射频磁控溅射的旋转镀膜技术在上转换发光玻璃纤维上制备了导电层ITO，分析了工艺中工作压强、溅射功率、氧分压以及溅射时间对薄膜透过率以及电阻率的影响，确定最优的溅射工艺参数。所制备的ITO薄膜经SEM表征得知，薄膜致密，颗粒均一度高，尺寸在30nm左右，薄膜厚度均匀，在300nm左右。通过四探针仪测试得知，其电阻率为1.2×10-4Ωm。
　　第三步:采用两步法在上述上转换发光的导电玻璃纤维上有序生长ZnO纳米棒阵列薄膜，首先利用磁控溅射设备溅射一层ZnO纳米晶薄膜作为晶种层，然后采用化学溶液法在晶种层上生长ZnO纳米棒阵列，经过SEM表征得知，晶种层的制备可以约束ZnO纳米棒的生长方向，对于高取向的纳米棒阵列的制备有直接关系，同时也探讨了化学溶液法的生长时间对纳米棒阵列生长的影响。随后以这种长有ZnO纳米棒阵列的玻璃纤维作为本论文所设计的近红外光响应的纤维状光伏电池的光学阳极。
　　第四步:将所制备的光学阳极浸泡于N719染料中进行敏化，以超细铂丝（直径0.025mm）作为对电极，将主电极与对电极相互接触穿入透明毛细管内（直径1mm），并利用毛细现象注入电解质，最终完成论文所设计的近红外光响应的纤维状光伏电池的组装。
　　实验所组装的光伏器件在AM1.5，100mW/cm2的标准太阳模拟器下进行光电性能测试，得到开路电压(VOC)为343mV，短路电流密度(JSC)为0.01mA/cm2，，填充因子(FF)为28％。暗室下在功率为1W的980nm激光器的照射下有最大输出功率0.007μW。
　　本实验所组装的光伏电池作为实物模型证明了所设计的纤维状光伏电池在原理上具有可行性，显示出其在生物电源领域广阔的应用前景。由于其光电转换效率较低，在后续的工作中可系统化地完善从衬底到各层薄膜的制备技术，提高光伏电池的效率以及各项性能，满足其实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 太阳能电池研究背景

1．1．2 太阳能电池研究现状

1．2 柔性纤维状太阳能电池

1．2．1 光纤基柔性纤维状太阳能电池

1．2．2 双线结构柔性纤维状太阳能电池

1．2．3 单线结构柔性纤维状太阳能电池

1．3 研究意义与研究内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容

第二章 上转换发光玻璃纤维的制备工艺研究

2．1 引言

2．2 原料及仪器

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 上转换玻璃配方的确定及玻璃粉料称量

2，3．2 玻璃粉料的熔融以及玻璃样品的制备

2．4 表征方法

2．4．1 结构分析

2．4．2 热性能分析

2．4．3 光谱性能分析

2．5 结果与讨论

2．5．1 基质材料的选择

2．5．2 柔性玻璃纤维拉制工艺

2．6 结论

第三章 磁控溅射制备导电层的工艺研究

3．1 引言

3．2 原料及仪器

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．3 实验方法

3．3．1 样品衬底的预处理

3．3．2 磁控溅射镀膜

3．4 表征方法

3．4．1 薄膜透过率测试

3．4．2 薄膜导电性能测试

3．4．3 薄膜形貌表征

3．5 结果与讨论

3．5．1 工作压强对ITO薄膜特性的影响

3．5．2 溅射功率对ITO薄膜特性的影响

3．5．3 氧分压对ITO薄膜特性的影响

3．5．4 溅射时间对ITO薄膜特性的影响

3．5．5 玻璃纤维旋转溅射导电层

3．6 结论

第四章 ZnO纳米棒阵列生长工艺研究

4．1 引言

4．2 原料及仪器

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．3 试验方法

4．3．1 样品衬底的预处理

4．3．2 磁控溅射制备ZnO晶种面

4．3．3 ZnO纳米棒阵列的制备

4．4 表征方法

4．4．1 薄膜形貌表征

4．4．2 薄膜元素分析

4．4．3 薄膜吸收光谱

4．5 结果与讨论

4．5．1 ZnO纳米棒生长机理

4．5．2 ZnO纳米棒阵列薄膜的元素分析

4．5．3 晶种面对于ZnO纳米棒阵列生长的影响

4．5．4 生长时间对ZnO纳米棒阵列生长的影响

4．5．5 ZnO纳米棒薄膜电极吸收光谱分析

4．6 结论

第五章 纤维状染料敏化光伏电池的组装及光电性能测试

5．1 引言

5．2 原料及仪器

5．2．1 实验原料

．2．2 实验仪器

5．3 实验方法

5．3．1 光阳极敏化

5．3．2 对电极组装

5．3．3 电解液注入

5．4 表征方法

5．4．1 光电性能测试

5．5 结果与讨论

5．5．1 标准太阳模拟器下的光电性能测试

5．5．2 980nm激光器下的光电性能测试

5．6 结论

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间获得的研究成果

致谢