氧化锌纳米结构的制备、表征及在染料太阳能电池中的应用

【摘要】：能源危机迫使人类寻找和开发新的绿色可再生能源。其中，染料敏化太阳能电池是（DSSC），因其原材料价格低廉、制作工艺简单，成本仅为晶体硅系太阳能电池的10%-20%,适于进行批量生产，具有广阔的应用前景，引起了广泛关注。目前，基于TiO_2作为光阳极制备的DSSC的研究已有较多报道。由于ZnO常温下禁带宽度（3.37eV）与锐钛矿型TiO_2（3.2eV）相近，导带电位相差很小，且电子迁移率高于TiO_2，理论上可以获得更好的性能，同时，由于ZnO的制备方法更加多样化，形貌可控，有望进一步降低DSSC成本，因此ZnO被认为是最有希望取代TiO_2的光阳极材料，但ZnO的哪种纳米结构最有利于获得更高的光电转换效率仍是值得系统和深入研究的课题。 为此，本文采用溶液法制备了纳米薄膜、纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米球、以及纳米复合结构(纳米颗粒/纳米球、纳米颗粒/纳米线)等多种纳米结构ZnO及相应的DSSC；利用XRD、SEM、AMBIOS和紫外-可见分光光度计等测试手段对纳米材料的结构、形貌和光学等性能进行了表征和分析，利用电流-电压特性分析了DSSC的性能。主要内容总结如下： 1)通过溶胶凝胶法在玻璃衬底上多次旋涂制备了氧化锌薄膜。主要研究了退火温度（350-600°C）和醋酸锌浓度（分别为0.35，0.5和0.65mol/L）对ZnO薄膜表面形貌及光学性质的影响。结果表明：随退火温度的升高以及醋酸锌浓度的升高，ZnO薄膜的c轴取向性提高，晶粒尺寸从16.6nm增长到19.7nm；随着退火温度的增加，ZnO薄膜光学带隙减小；透光率随凝胶浓度的增加而增加。当Zn的浓度从0.35M增加到0.65M时， ZnO光学带隙能量从3.307eV减小到3.227eV，然而Urbach能量从68.2meV增加到82.4meV。同时，还发现薄膜中存在张应力，当随着退火温度增加至500℃时张应力变小，而进一步增加温度至600℃时，ZnO薄膜的应力由张应力转变为压应力。随Zn浓度的变化ZnO薄膜中的应力变化与上面具有相同的变化趋势。 2)采用旋涂和水热结合法在FTO晶种衬底上成功制备了ZnO纳米棒阵列薄膜。发现：在晶种溶液中添加PEI时，ZnO纳米棒变得密集而整齐；在生长液中添加PEI时，纳米棒变得细而长。这些均有利于提高染料吸收和DSSC的光伏性能。基于在生长液中添加PEI所制备的DSSC的转换效率能达到1.18%，比生长液中没有添加PEI时制得的DSSC提高了84%。同时，填充因子和电流密度分别提高了18%and52%。 3)研究了生长时间、PEI和NH4OH对旋涂和水浴结合法制备的ZnO纳米线的形貌及相应DSSCs的影响。结果表明：生长液中添加PEI和NH4OH后，随着生长时间延长，纳米棒变得细而长，可提高相应DSSCs的短路电流和光电转换效率。将在含PEI和NH4OH的生长液中所制备的ZnO纳米线作为的光电阳极所封装的DSSC的转换效率为1.25%，远高于不含PEI和NH4OH情况下制备的DSSCs的转换效率(0.58%)。 4)成功制备了ZnO纳米颗粒/纳米球和纳米线/纳米颗粒复合结构及相应的DSSC。发现：与氧化锌纳米颗粒为光电极制备的DSSC相比，氧化锌纳米球DSSC的转化效率提高了63%；与只由纳米线制备的DSSC相比，纳米线/纳米颗粒封装的DSSC的转化效率提高了34%，即基于四种纳米结构DSSC的光电转换效率从大到小为：NP+NW NSNW NP；这表明纳米球聚合物以及复合纳米结构比纳米颗粒或单独的纳米线更适合作为光电阳极。 总的来看，论文在采用廉价方法制备多种纳米结构ZnO及相应的DSSC方面开展了大量实验工作，取得了一些有意义的结果，但目前获得的DSSC的光电性能仍然较低，说明，纳米结构对DSSC性能的影响规律及其中的机制等核心问题，仍有待进一步深入研究。 【关键词】：氧化锌纳米结构 染料敏化太阳能电池 水热合成法 两步溶液法 电流-电压特性
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 INTRODUCTION11-43
• 1.1 RENEWABLE ENERGY11-15
• 1.1.1 Photovoltaic Devices13-15
• 1.2 BRIEF INTRODUCTION OF DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS (DSSCS)15-29
• 1.2.1 Historical background15
• 1.2.2 Working principle of Dye-Sensitized Solar Cells15-17
• 1.2.3 Components of Dye-Sensitized Solar cell17-26
• 1.2.4 Performance Description of DSSC (Solar cell external parameters)26-29
• 1.3 MATERIALS DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION ATTEMPTS FOR DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS29-34
• 1.3.1 Nanostructured metal Oxide Electrodes29-30
• 1.3.2 Zinc Oxide (ZnO)30-33
• 1.3.3 Titanium Dioxide (TiO2)33-34
• 1.3.4 Other metal Oxides34
• 1.4 PREPARATION METHODS OF NANOSTRUCTURE ZNO34-40
• 1.5 MOTIVATION OF THIS THESIS40-41
• 1.6 RESEARCH GOALS AND MAIN HIGHLIGHTS OF THIS THESIS41-43
• 2 FABRICATION AND PROPERTY OF ZNO THIN FILMS DEPOSITED BY SOL-GEL METHOD43-67
• 2.1 INTRODUCTION43-44
• 2.2 EXPERIMENTAL PROCEDURES44-50
• 2.2.1 Chemicals44
• 2.2.2 ZnO sol-gel preparation44-45
• 2.2.3 Techniques for the Characterization of ZnO nanostructures45-50
• 2.3 RESULTS AND DISCUSSION50-65
• 2.3.1 Effect of Annealing Temperature on the Structural, Morphological and Optical Properties of ZnO Thin Films50-58
• 2.3.2 Effect of Zinc Acetate Concentration on the Structural and Optical Properties of ZnO Thin Films58-65
• 2.4 CONCLUSION65-67
• 3 SYNTHESIS, PROPERITY AND APPLICATION IN DYE-SENSITIZED SOLAR CELL OF ZNO NANOROD ARRAYS GUIDED WITH POLYETHYLENEIMINE VIA HYDROTHERMAL METHOD67-77
• 3.1 INTRODUCTION67-68
• 3.2 EXPERIMENTAL68-69
• 3.2.1 Preparation and Characterization of ZnO Nanorod Arrays68
• 3.2.2 Material Characterization68-69
• 3.3 RESULTS AND DISCUSSION69-74
• 3.3.1 Structural Properties of ZnO nanorods69-70
• 3.3.2 Morphological Properties of ZnO nanorods70-71
• 3.3.3 ZnO Nanorods Synthesis Schemes71-72
• 3.3.4 UV-Vis absorption of N719 dye adsorbed on ZnO nanord arrays films72-73
• 3.3.5 Cell Assembly and Performance73-74
• 3.4 CONCLUSIONS74-77
• 4 SYNTHESIS, CHARACTERIZATION AND APPLICATION OF ZNO NANOWIRES IN DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS BY WATER BATH METHOD77-89
• 4.1 INTRODUCTION77-78
• 4.2 EXPERIMENTAL PROCEDURE78-80
• 4.2.1 Preparation and Characterization of ZnO Nanonwire Arrays78-80
• 4.2.2 Material Characterization80
• 4.2.3 DSSCs fabrication80
• 4.3 RESULTS AND DISCUSSION80-88
• 4.3.1 Structural Properties of ZnO nanowires80-82
• 4.3.2 Morphological Properties of ZnO nanowires82-83
• 4.3.3 UV-Vis absorption spectra of N719 dye adsorbed on ZnO nanowries83-84
• 4.3.4 Synthesis Scheme for ZnO nanowires84-86
• 4.3.5 Solar Cell Performance86-88
• 4.4 CONCLUSIONS88-89
• 5 FABRICATION AND CHARACTERISTICS OF ZNO COMPOSITE NOSTRUCTURES AND THEIR INTEGRATION IN DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS89-101
• 5.1 INTRODUCTION89-90
• 5.2 EXPERIMENTAL90-93
• 5.2.1 Synthesis of nanoparticles and nanospheres90-91
• 5.2.2 Synthesis of ZnO Nanowire Arrays91-92
• 5.2.3 Material Characterization92
• 5.2.4 DSSCs fabrication92-93
• 5.3 RESULTS AND DISCUSSION93-99
• 5.3.1 Structural Properties of ZnO nanostructures93-94
• 5.3.2 Morphological Properties of ZnO nanostructures94-96
• 5.3.3 Solar Cell Performance96-98
• 5.3.4 UV-Vis absorption of N719 dye adsorbed on ZnO nanostructures films98-99
• 5.4 CONCLUSIONS99-101
• 6 SUMMARY AND FUTURE OUTLOOK101-105
• 6.1 SUMMARY101-103
• 6.2 FUTURE OUTLOOK103-105
• ACKNOWLEDGEMENTS105-107
• REFERENCES107-123
• APPENDIX123-124
• A. PUBLICATIONS123-124
• B. ConFERENCES ATTENDANCES124
• C. PROJECT FUNDS124

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