基于ZnO薄膜染料敏化太阳能电池的制备及光电性能研究

摘要

随着社会科学技术的快速发展，能源危机已经变成了人类面临的共同问题，大量化石燃料的日渐枯竭和燃烧造成的环境污染已经严重威胁到人类的生存和发展。在这种情况下，新型太阳能电池的研究越来越受到人们的关注。自1991年以来，染料敏化太阳能电池因其制备工艺简单、价格低廉、无毒无污染等优良性能，已经成为当今研究领域中的一个热点。高度取向的ZnO纳米棒阵列薄膜具有原料来源丰富、比表面积大、光电转换效率高等优点，是一种理想的光电极材料，并成为当今新能源材料与器件研究中新的热点。
　　在本实验中，我们利用水热法和电化学沉积法制备了高度c轴择优取向的ZnO薄膜。并对ZnO薄膜的晶体结构和表面形貌进行了分析研究。同时制备了N719染料敏化太阳能电池、CdS量子点敏化太阳能电池以及共敏化太阳能电池，研究了它们的光电转换性能。研究内容及结论如下：
　　(1)利用水热法和电化学沉积法制备ZnO纳米棒阵列薄膜，研究了不同工艺参数对ZnO薄膜生长的影响。结果表明，我们通过两种方法都能得到分布均匀、结晶良好、形状规则、端头呈六边形的ZnO纳米棒阵列薄膜。但是水热法制备的ZnO纳米棒阵列长径比更大、均匀性更好、沿c轴的取向生长更为明显。
　　(2)采用连续离子层吸附与反应法制备了CdS量子点敏化的ZnO纳米棒阵列薄膜电极，通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外可见分光光度计等来研究了ZnO/CdS双层膜复合电极的表面形貌、晶体结构和光学性质;使用太阳能电池测试系统研究了ZnO形貌、不同CdS沉积次数以及不同共敏化时间对染料敏化太阳能电池的光电性能影响。结果显示，CdS量子点为立方相结构，且完全覆盖在纳米ZnO纳米棒阵列的表面。此外，随着CdS沉积次数的增加，纳米ZnO薄膜电极的光谱响应范围从紫外区扩展到了可见光区，组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率也随之增大，当CdS沉积次数为9次或者10次时，太阳能电池的光电转换效率达到最大。这主要是因为CdS量子点的引入提高了纳米ZnO电极的光谱响应，减少了电子与空穴复合的几率，加速了电子的转移和传输，改善了太阳能电池的性能。另外当CdS量子点与N719染料的共敏化时间为18h时，染料敏化太阳能电池能获取更高的光电转换效率和子效率。
　　(3)采用一种简单的水热法制备ZnO纳米棒粉末，然后用传统的粉末涂敷法制备ZnO薄膜，并以此组装了不同类型的染料敏化太阳能电池进行测试。并讨论ZnO薄膜的形貌对太阳能电池光电性能的影响。结果表明，使用水热法生长的ZnO纳米棒阵列薄膜组装成为染料敏化太阳能电池具有最好的光伏性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理

1．3 染料敏化太阳能电池的性能表征参数

1．4 纳米氧化锌半导体薄膜的制备方法

1．4．1 磁控溅射法

1．4．2 脉冲激光沉积法

1．4．3 分子束外延法

1．4．4 喷雾热分解法

1．4．5 溶胶凝胶法

1．4．6 电化学沉积法

1．4．7 水热合成法

1．4．8 粉末涂敷法

1．5 染料敏化剂

1．5．1 有机染料敏化剂

1．5．2 无机染料敏化剂

1．5．3 多种染料共敏化

1．6 电解质溶液

1．7 对电极

1．8 本论文的选题目的和研究内容

1．8．1 选题目的

1．8．2 研究内容

参考文献

第二章 实验部分

2．1 实验原料与设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 仪器与设备

2．2 实验步骤

2．2．1 水热法制备氧化锌薄膜

2．2．2 电化学沉积法制备氧化锌薄膜

2．2．3 涂布法制备氧化锌薄膜

2．2．4 硫化镉量子点敏化纳米氧化锌双层膜电极的制备

2．2．5 染料敏化太阳能电池的组装

2．2．6 硫化镉量子点与染料N719共敏化太阳能电池的组装

2．3 测试设备与表征

第三章 水热法制备氧化锌纳米棒阵列薄膜及在染料敏化太阳能电池中的应用

3．1 氧化锌纳米棒阵列薄膜形貌与结构的研究

3．1．1 水热反应时间对氧化锌纳米棒阵列薄膜形貌和结构的影响

3．1．2 水热反应温度对氧化锌纳米棒阵列薄膜形貌和结构的影响

3．1．3 锌离子生长液浓度对氧化锌纳米棒阵列薄膜形貌和结构的影响

3．1．4 氧化锌纳米棒阵列薄膜的生长机理研究

3．2 氧化锌／硫化镉双层膜电极的形貌和结构分析

3．3 染料敏化太阳能电池的光电性能分析

3．3．1 不同浓度的锌离子生长液制备的氧化锌纳米棒阵列薄膜对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

3．3．2 不同硫化镉沉积次数对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

3．3．3 不同电解质溶液对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

3．3．4 多种染料共敏化对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

3．3．5 不同氧化锌形貌对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

3．3．6 不同光阳极组装的染料敏化太阳能电池的量子效率测试

3．4 本章小结

参考文献

第四章 电化学沉积法制备氧化锌纳米棒阵列薄膜及在染料敏化太阳能电池中的应用

4．1 氧化锌薄膜的生长过程分析

4．1．1 循环伏安分析

4．1．2 沉积电位的影响

4．1．3 电解液浓度的影响

4．1．4 沉积温度的影响

4．1．5 氧化锌纳米棒阵列薄膜的生长机理研究

4．2 氧化锌纳米棒阵列薄膜形貌与结构的研究

4．2．1 沉积电位对氧化锌纳米棒阵列薄膜形貌和结构的影响

4．2．2 电解液浓度对氧化锌纳米棒阵列薄膜形貌和结构的影响

4．2．3 沉积温度对氧化锌纳米棒阵列薄膜形貌和结构的影响

4．3 氧化锌／硫化镉双层膜电极的形貌和结构分析

4．4 染料敏化太阳能电池的光电性能测试分析

4．4．1 不同硫化镉沉积次数对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

4．3．2 多种染料共敏化对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

4．3．3 不同光阳极组装的染料敏化太阳能电池的量子效率测试

4．4 本章小结

参考文献

致谢