ZnO/TiO_2复合基染料敏化太阳能电池的制备与研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC)由于成本低、生产工艺简单、原材料丰富等受到国内外科研工作者的广泛关注。目前,DSSC的光电转换效率还远低于理论值,而作为DSSC的重要组成之一的光阳极,其性能直接影响DSSC的光电转换效率,本文对ZnO/TiO2复合光阳极DSSC进行了研究。以尿素和硝酸锌为原料,采用水热法制备ZnO纳米片自组装微球；运用水热法和机械混合法制备ZnO/TiO2复合粉体；采用浸渍法制备ZnO/TiO2核壳结构粉体,并将它们作为光阳极材料应用于DSSC中。采用XRD、SEM、TEM、XPS和EDS对ZnO/TiO2粉体和膜进行了表征,测试了不同光阳极薄膜组装成DSSC的I-V曲线、IPCE曲线和EIS阻抗谱。主要结果如下：(1)当尿素与硝酸锌摩尔比为3：1时,采用水热法制备的ZnO微球直径约为15～20μm,由厚度约为25 nm的片状结构组装而成。将其通过先漩涡超声再球磨的工艺制备浆料,采用刮刀法制备膜厚为34.33μm的光阳极膜,所得电池的开路电压Voc、短路电流密度Jsc、填充因子FF,光电转换效率分别达到0.65 V、 11.50 mA/cm2、0.63、4.82%,电子寿命可达到8 ms。(2)采用水热法制备Ti02和ZnO/TiO2复合粉体,制备的TiO2为纳米多级结构微球,大小不均匀,粒径大小主要分布在5-8μm,由15-20nm的Ti02颗粒组成；ZnO/TiO2粉体形貌随着Zn2+和Ti4+摩尔比变化。基于该TiO2微球的DSSC的短路电流密度Jsc为1.77 mA/cm2,光电装换效率为0.9%；当n(Zn2+):n(Ti4+)为1：1时,ZnO/TiO2粉体制备的DSSC短路电流密度Jsc和光电转换效率达到最大,分别为2.88 mA/cm2和1.26%,比纯Ti02的转换效率提高了40%。随着比例的继续增大,光电转换效率降低。(3)采用醇热法制备ZnO纳米颗粒,粒径为25-35nm。采用水热法制备的Ti02粒径为30-40 nm,基于该Ti02的光阳极电池光电转化率为7.95%,开路电压Voc为0.74V,短路电流密度Jsc为15.21 mA/cm2,填充因子FF为0.71；当添加2 wt% ZnO时,电池的电子寿命τn最大,可达到3.9 ms,电池的开路电压Voc、短路电流密度Jsc、填充因子FF、光电转换效率分别达到0.76 V、16.21 mA/cm2、0.78、9.54%,比纯Ti02的光电转换效率提高了20%。(4)采用浸渍法将ZnO浸渍在钛酸四丁酯的丁醇溶液中,在ZnO表面形成Ti02纳米颗粒修饰层。当钛酸四丁酯的浓度为0.5 M时,浸渍一次煅烧后得到ZnO/TiO2核壳结构粉体,将其制备成光阳极多孔薄膜,在0.5 mM以无水乙醇为溶剂的N719染料中浸渍2h制备的DSSC的短路电流密度Jsc和光电转化效率Eff最大,分别为5.01 mA/cm2和2.77%,而基于纯ZnO纳米颗粒的DSSC的光电转换效率(Eff)为1.87%,光电转换效率提高了48%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 ZnO/TiO_2复合光阳极 光电性能 核壳结构
【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】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 引言9-10
• 2 文献综述10-23
• 2.1 太阳能电池研究的历史发展10
• 2.2 染料敏化太阳能的研究现状10-11
• 2.3 染料敏化太阳能的结构11-14
• 2.3.1 导电基底11-12
• 2.3.2 纳米晶半导体光阳极12
• 2.3.3 染料敏化剂12-14
• 2.3.4 电解质14
• 2.3.5 对电极14
• 2.4 染料敏化太阳能电池工作原理14-16
• 2.5 DSSC的光电特性参数16-18
• 2.5.1 I-V曲线16-17
• 2.5.2 入射单色光子—电子转化效率(IPCE)17
• 2.5.3 电化学阻抗谱(EIS)17-18
• 2.6 ZnO/TiO_2复合光阳极薄膜的研究现状18-21
• 2.6.1 ZnO的性质18-19
• 2.6.2 复合光阳极的研究现状19-20
• 2.6.3 ZnO/TiO_2核壳结构光阳极制备方法及研究现状20-21
• 2.7 本论文的研究目标和意义21-23
• 3 水热法制备多级结构ZnO微球及其电池性能研究23-36
• 3.1 实验过程23-25
• 3.1.1 ZnO微球的制备23
• 3.1.2 浆料的制备23-24
• 3.1.3 导电玻璃的清洗24
• 3.1.4 光阳极薄膜的制备24
• 3.1.5 染料和电解质的制备24
• 3.1.6 对电极的制备24
• 3.1.7 DSSC的组装24-25
• 3.2 表征25-26
• 3.2.1 物相分析25
• 3.2.2 形貌分析25
• 3.2.3 X射线光电子能谱分析(XPS)25
• 3.2.4 能量色散显微分析(EDS)25
• 3.2.5 I-V曲线测试25
• 3.2.6 IPCE测试25-26
• 3.2.7 电化学阻抗谱(EIS)26
• 3.2.8 膜厚测试26
• 3.2.9 紫外可见吸收性能测试26
• 3.2.10 染料吸附量测试26
• 3.3 实验结果及分析26-35
• 3.3.1 尿素硝酸锌摩尔比对电池性能的影响26-30
• 3.3.2 浆料制备工艺对电池性能的影响30-33
• 3.3.3 不同膜厚对电池性能的影响33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 ZnO/TiO_2复合光阳极的制备及电池性能研究36-51
• 4.1 实验过程36-39
• 4.1.1 水热法制备ZnO/TiO_2复合粉36-37
• 4.1.1.1 ZnO/TiO_2复合粉的制备36-37
• 4.1.1.2 ZnO/TiO_2复合粉体浆料的制备37
• 4.1.1.3 ZnO/TiO_2光阳极膜的制备37
• 4.1.2 机械混合法制备ZnO/TiO_2复合粉37-39
• 4.1.2.1 TiO_2纳米粉体的制备37-38
• 4.1.2.2 ZnO纳米粉体的制备38
• 4.1.2.3 ZnO/TiO_2光阳极膜的制备38-39
• 4.2 实验结果与分析39-50
• 4.2.1 水热法制备ZnO/TiO_2粉体39-45
• 4.2.1.1 ZnO/TiO_2复合粉体的物相分析39
• 4.2.1.2 ZnO/TiO_2复合粉体的形貌分析39-43
• 4.2.1.3 n(Zn~(2+))：n(Ti~(4+))对ZnO/TiO_2复合光阳极光电转换性能的影响43-45
• 4.2.2 机械混合法制备ZnO/TiO_2复合光阳极薄膜45-50
• 4.2.2.1 ZnO、TiO_2纳米粉体的物相及形貌分析45-46
• 4.2.2.2 ZnO/TiO_2复合光阳极的电池性能46-50
• 4.3 本章小结50-51
• 5 ZnO/TiO_2壳核结构的制备及电池性能研究51-62
• 5.1 实验过程51-52
• 5.1.1 醇热法制备ZnO纳米棒51
• 5.1.2 浸渍法制备ZnO/TiO_2核壳结构粉体51
• 5.1.3 ZnO/TiO_2核壳结构粉体光阳极的制备51-52
• 5.1.4 染料的制备52
• 5.2 实验结果与分析52-61
• 5.2.1 ZnO/TiO_2复合粉体的形貌分析52-56
• 5.2.2 配制染料所用的溶剂及浸渍时间对电池性能的影响56-57
• 5.2.3 在TBOT中浸渍次数对电池电转换性能的影响57-58
• 5.2.4 TBOT浓度对电池电转换性能的影响58-60
• 5.2.5 不同形貌的ZnO/TiO_2核壳结构对电池电转换性能的影响60-61
• 5.3 本章小结61-62
• 结论62-64
• 创新点64-65
• 不足与展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-74

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

ZnO/TiO_2溶胶对棉织物的防紫外整理    许梅;王潮霞;

ZnO/TiO_2基染料敏化太阳能电池光阳极结构设计与研究    冯亚敏

ZnO/TiO_2复合基染料敏化太阳能电池的制备与研究    高智丹

TiO_2纳米结构和ZnO/TiO_2复合纳米结构的制备和性质    崔勇