新型太阳能电池光阴极及纳米吸收层的基础研究

【摘要】：太阳能电池由于具有清洁、廉价、高效等特点,作为一种可持续发展的能源替代方式,于近年来得到快速的发展。但目前还存在成本高,转换效率不高等缺点而没有被广泛应用。因此,降低太阳能电池的制备成本和提高太阳能电池的转换效率成为太阳能电池研究的关键,高效新型低成本太阳能电池包括染料敏化太阳能电池和纳米晶太阳能电池成为人们的研究热点。 在染料敏化太阳能电池中,多用贵金属铂作为光阴极,但其昂贵的价格限制了它的商业化应用。在薄膜太阳能电池中,CuInS2具有吸收系数大,禁带宽度与太阳光谱匹配,直接带隙半导体等优点,但使用高真空镀膜设备以及CuInS2材料的成分和光电特性对工艺过程的敏感限制了其产业化应用。 本论文在总结太阳能电池研究进展的基础上,开展了染料敏化太阳能电池中光阴极的基础研究,并采用一步化学法可控制备了不同大小的CuInS2纳米晶,通过简单的化学液滴涂布法制备了薄膜太阳能电池,并测试了其光学及电化学性能,主要内容如下： (1)研究了NiPt薄膜作为染料敏化太阳能电池光阴极的行为。采用化学镀法在导电FTO玻璃基底上首先沉积一层Ni膜,后通过氧化还原法制备NiPt薄膜,改变不同的反应时间制备得到不同载铂量的Ni1-xPtx(x=0,0.02,0.04,0.06,0.08)膜。研究显示Ni0.94Pt0.06膜的载铂量为5.13 gg/cm2,作为光阴极表现出对I3-的高催化性能,高光反射和高的电荷传输性能,提高了电池的光电转换效率。使用Ni0.94Pt0.06膜作光阴极制备的染料敏化太阳能电池获得了8.21%的光电转化效率,高于传统的使用热分解得到的Pt光阴极的电池效率(7.73%),并且此类电池的稳定性较好。结果表明NiPt膜对于低价高效大面积制备染料敏化太阳能电池的光阴极探索具有一定的意义。 (2)研究了高比表面积微孔碳作为染料敏化太阳能电池光阴极的行为。使用玉米杆制备了廉价的高比表面积微孔碳,将其取代铂光阴极,测试了其电化学性能。结果表明以微孔碳为活性材料,Vulcan XC-72做导电剂,TiO2为粘结剂的光阴极具有高的催化性能。以微孔碳为活性材料的光阴极的染料敏化太阳能电池在AM1.5(100 mW cm-2)的光照下具有7.36%的转换效率,与使用铂作光阴极的太阳能电池的转换效率相当。其开路电压达到了798 mV,比使用铂作光阴极的太阳能电池的电压高约60 mV。使用高比表面积碳作为光阴极,避免了贵金属Pt的使用,对于降低染料敏化太阳能电池的制作成本有着重要的实际意义。 (3)研究了CuInS2纳米晶的制备及其光电应用。使用油酸铜,油酸铟和硫粉作为反应物在油酸和油胺的混合溶剂中采用一步反应化学法可控制备了单分散的2-10nm CuInS2纳米晶,讨论了油胺作为还原剂和包覆剂对于产物大小的影响。产物的紫外可见吸收和荧光光谱表明所制备的产物具有量子尺寸效应。同时,还采用相同的方法合成了CuIn(S,Se1-x)2 (x=0,0.3,0.5,0.7)和AgInS2纳米晶,测试表明所得化合物都是纯相,颗粒大小约为10 nm。利用化学液滴涂布法制备了新型纳米晶太阳能电池(Au/CuInS2纳米晶/TiO2纳米棒阵列/FTO),通过优化条件,所制备的薄膜太阳能电池在AM 1.5(100 mW cm-2)光强下达到了0.21%的光电转换效率,表明这类纳米晶材料具有低价薄膜太阳能电池的潜在优势。 (4)探索了新型结构的太阳能电池。采用简单的溶剂热法直接在导电FTO玻璃和丝网印刷的Ti02膜上沉积一层CuInS2膜(CuInS2/FTO和CuInS2/TiO2/FTO),研究结果表明FTO玻璃上的CuInS2由微米球和纳米片组成,膜的厚度可以通过反应物的浓度控制在1-8μm之间,并且膜在400-850 nm间有很强的吸收,带隙随着Cu/In的比(1.2-0.9)调节为1.45-1.61 eV。TiO2基底上的CuInS2膜是由纳米片组成。此外,还评价了这两种膜的光电性能,经过热处理后,所组装的电池Ag/CdS/CuInS2/FTO, Au/CuInS2/TiO2/FTO在AM1.5(100 mWcm-2)的光强下分别达到了0.33%和0.29%的光电转换效率。 【关键词】：纳米晶 硫化物 染料敏化太阳能电池 薄膜太阳能电池 光阴极
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 绪论14-40
• 第一节 太阳能电池简介14-16
• 1.1.1 太阳能电池工作原理14-15
• 1.1.2 太阳能电池评价常数15-16
• 第二节 太阳能电池分类16-20
• 1.2.1 单晶硅太阳能电池16-18
• 1.2.2 多晶硅太阳能电池18
• 1.2.3 非晶硅太阳能电池18
• 1.2.4 化合物半导体太阳能电池18-19
• 1.2.5 染料敏化太阳能电池19-20
• 1.2.6 有机太阳能电池20
• 第三节 染料敏化太阳能电池光阴极的研究进展20-27
• 第四节 纳米结构太阳能电池27-29
• 第五节 纳米晶材料的化学法制备29-32
• 1.5.1 水热、溶剂热法29-30
• 1.5.2 高温有机金属前驱体法30
• 1.5.3 单源前驱体法30-31
• 1.5.4 微乳液法31-32
• 第六节 选题思路和工作内容32-33
• 参考文献33-40
• 第二章 Ni_(1-x)Pt_x(x=0-0.08)膜光阴极在DSCs中的研究40-64
• 第一节 引言40
• 第二节 DSCs的制备40-48
• 2.2.1 药品及仪器40-41
• 2.2.2 DSCs的制备流程41-43
• 2.2.3 染料的吸附43-44
• 2.2.4 液态电解质的配置44
• 2.2.5 光阴极的制备44-47
• 2.2.6 DSCs的组装47-48
• 第三节 光阴极的表征与测试方法48-51
• 2.3.1 表征方法48-49
• 2.3.2 光阴极及电池的光电性能测试49-51
• 第四节 结果与讨论51-60
• 2.4.1 Pt,NiPt光阴极51-60
• 第五节 本章结论60
• 参考文献60-64
• 第三章 高比表面积碳光阴极在DSCs中的研究64-78
• 第一节 引言64
• 第二节 DSCs的制备64-68
• 3.2.1 药品及仪器65-66
• 3.2.2 光阴极的制备66-67
• 3.2.3 光阳极TiO_2膜的制备67
• 3.2.4 DSCs的组装67-68
• 第三节 光阴极的表征与测试方法68-69
• 3.3.1 表征方法68
• 3.3.2 光阴极及光电性能测试68-69
• 第四节 结果与讨论69-76
• 第五节 本章结论76
• 参考文献76-78
• 第四章 CuInS_2纳米晶的制备及其光电性能研究78-104
• 第一节 引言78-80
• 第二节 CuInS_2纳米晶的合成80-85
• 4.2.1 药品及仪器80-81
• 4.2.2 实验方案81-83
• 4.2.3 表征方法83-85
• 第三节 结果与讨论85-96
• 第四节 其它三元化合物的合成96-100
• 4.4.1 CuIn(S_xSe_(1-x))_2(x=0,0.3,0.5,0.7)纳米晶的合成96-99
• 4.4.2 AgInS_2纳米晶的合成99-100
• 第五节 本章结论100-101
• 参考文献101-104
• 第五章 CuInS_2/FTO与CuInS_2/TiO_2/FTO薄膜的简易制备及其光电性能研究104-116
• 第一节 引言104
• 第二节 CuInS_2薄膜的制备104-107
• 5.2.1 药品及仪器104-105
• 5.2.2 CuInS_2/TiO_2薄膜的制备105-106
• 5.2.3 太阳能电池的组装106
• 5.2.4 样品表征及电化学测试106-107
• 第三节 结果与讨论107-113
• 第四节 本章结论113
• 参考文献113-116
• 第六章 总结116-119
• 致谢119-120
• 个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果120-121

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