Al~(3+)掺杂对纳米ZnO结构及染料敏化太阳能电池性能影响研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池是一种新型的光电转换太阳能电池,它制作工艺简单、性能稳定和成本低,具有很好的市场应用前景。纳米晶半导体光阳极作为DSSC的重要组成部分之一,主要起吸附染料和传输电子的作用,对DSSC的光电性能具有重要的影响。本文对DSSC的ZnO光电极进行了研究。研究内容包括：(1)采用化学浴沉积法在导电玻璃(FTO)上制备ZnO纳米棒并将其应用于DSSC中,主要研究ZnO纳米棒的生长条件及Al3+掺杂改性种子层对所制备的ZnO纳米棒和电池性能的影响； (2)采用多次重复浸渍种子层工艺,制备出ZnO纳米棒和ZnO纳米粒复合杂化结构的光阳极,并应用于DSSC中。(3)采用沉淀法制备A13+掺杂ZnO纳米粒,采用超声辅助沉淀法制备了A13+掺杂ZnO纳米片,采用醇热回流法制备Al3+掺杂ZnO纳米球并应用于DSSC中。采用SEM对ZnO种子层、ZnO纳米棒以及ZnO粉体的形貌形貌进行了表征,测试了不同光阳极薄膜组装成DSSC的Ⅰ-Ⅴ曲线和EIS阻抗谱。主要研究内容和结果如下：(1)以二水合醋酸锌为锌源,以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂,在FTO上用提拉浸渍法制备ZnO种子层；然后通过化学浴沉积法在六水合硝酸锌和六次甲基四胺水溶液中生长纳米棒,并通过在种子层中掺入不同比例的A13_I,制备ZnO纳米棒。当种子层浓度为0.1 M且掺杂9at% Al3+,导电玻璃长边垂直放置于生长液中,生长液浓度为0.04 M时,制备的ZnO纳米棒长度为5μm, DSSC的光电性能最好,开路电压0.40 V,短路电流5.64 mA/cm2,填充因子0.47,光电转换效率为1.07%。(2)通过多次重复浸渍种子层工艺,制备出ZnO纳米棒和ZnO纳米粒的复合结构光阳极。当ZnO种子层掺杂9at% Al3+,且经过9次浸渍和生长之后,制备出了长度为15.2 μm的复合结构ZnO纳米棒和ZnO纳米粒,其制备的DSSC的光电转换效率达到2.36%,开路电压0.66 V,短路电流5.78 mA/cm2,填充因子0.62。(3)通过沉淀法制备了Al3+掺杂ZnO纳米粒,采用超声辅助沉淀法制备了A13+掺杂ZnO纳米片,通过醇热回流法制备了A13+掺杂ZnO纳米球。在相同的实验条件下,分别将三种形貌的纳米粉体制备成光阳极薄膜并组装成DSSC。沉淀法制备的6at% Al3+掺杂ZnO纳米颗粒聚集体所制备的DSSC的光电转换效率达到0.94%；超声法制备的6at% Al3+掺杂ZnO纳米片所制备的DSSC的光电转换效率达到0.73%;醇热法制备的6% atAl3+掺杂ZnO纳米球所制备的DSSC的光电转换效率只有1.54%,较没有掺杂下降61.40%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 ZnO光阳极 Al~(3+)掺杂 复合结构光阳极
【学位授予单位】：景德镇陶瓷学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 引言8-9
• 2 文献综述9-29
• 2.1 染料敏化太阳能电池的结构9-12
• 2.1.1 纳米晶半导体光阳极9-10
• 2.1.2 染料敏化剂10-11
• 2.1.3 电解质11
• 2.1.4 对电极11-12
• 2.1.4.1 铂对电极12
• 2.1.4.2 非Pt金属对电极12
• 2.1.4.3 聚合物对电极12
• 2.1.4.4 碳材料对电极12
• 2.1.5 导电基底12
• 2.2 DSSC的工作原理12-14
• 2.3 DSSC的光电特性参数14-15
• 2.3.1 Ⅰ-Ⅴ曲线14-15
• 2.3.2 电化学阻抗谱(EIS)15
• 2.4 纳米晶光阳极的研究现状15-27
• 2.4.1 TiO_2纳米晶光阳极15-18
• 2.4.1.1 TiO_2的晶体结构分析15-16
• 2.4.1.2 TiO_2光阳极的掺杂改性研究16-18
• 2.4.2 ZnO纳米晶光阳极18-25
• 2.4.2.1 ZnO的结构及其性质18-20
• 2.4.2.2 ZnO光阳极的掺杂改性研究20-25
• 2.4.3 不同形貌的ZnO光阳极的研究情况25-27
• 2.5 本论文的研究目标和意义27-29
• 3 化学浴沉积法制备ZnO纳米棒及电池性能研究29-41
• 3.1 实验原料29
• 3.2 实验过程29-30
• 3.2.1 导电玻璃的清洗29-30
• 3.2.2 ZnO种子层的制备30
• 3.2.3 ZnO纳米棒的制备30
• 3.2.4 对电极的制备30
• 3.2.5 DSSC的组装30
• 3.3 表征30-31
• 3.4 实验结果与分析31-39
• 3.4.1 导电玻璃放置方式对ZnO纳米棒及电池性能的影响31-34
• 3.4.2 ZnO生长液浓度对ZnO纳米棒及电池性能的影响34-36
• 3.4.3 Al~(3+)掺杂种子层对ZnO纳米棒及电池性能的影响36-39
• 3.5 本章小结39-41
• 4 ZnO纳米棒和纳米粒复合结构光阳极制备及电池性能研究41-47
• 4.1 实验部分41
• 4.2 实验结果与分析41-46
• 4.2.1 ZnO种子层浸渍生长次数对ZnO纳米棒形貌的影响41-44
• 4.2.2 ZnO种子层浸渍生长次数对电池性能的影响44-46
• 4.5 本章小结46-47
• 5 Al~(3+)掺杂ZnO纳米粉的制备及其电池性能的研究47-56
• 5.1 实验原料及设备47
• 5.2 实验过程47-49
• 5.2.1 沉淀法制备ZnO纳米颗粒47-48
• 5.2.2 超声辅助沉淀法制备Al~(3+)掺杂ZnO纳米片48
• 5.2.3 醇热回流法制备Al~(3+)掺杂ZnO纳米球48-49
• 5.2.4 浆料的制备49
• 5.2.5 DSSC的制备与组装49
• 5.3 测试与表征49
• 5.4 实验结果与分析49-55
• 5.4.1 Al~(3+)掺杂对沉淀法制备ZnO纳米粒及其DSSC光电性能影响49-50
• 5.4.2 Al~(3+)掺杂对超声辅助沉淀法制备ZnO纳米片及DSSC性能影响50-51
• 5.4.3 Al~(3+)掺杂醇热回流法制备ZnO纳米球及DSSC性能的影响51-55
• 5.5 本章小结55-56
• 6 结论56-57
• 创新点57-58
• 不足与展望58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66

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