稀土转换发光材料的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池（DSSC）由于其原料便宜且无需高纯度，还可以大量低价印刷而深受欢迎。与其他太阳能电池相比，DSSC是独一无二的，因为其电子传输、光谱吸收和空穴传输过程均可由不同材料完成。通过制备类叶绿体的多孔二氧化钛薄膜作用光阳极，DSSC可吸收太阳光谱中的可见光部分从而产生光电流。染料（N719）将电子注入到TiO_2导带，自身变为缺电子激发态。因此，TiO_2导带电子注入性能对整个电池效率起着最重要的作用。一直以来，总希望TiO_2光阳极或敏化染料能够捕获太阳光中的红外光和近红外光，以增强TiO_2-染料间产生电子的能力，提高电流密度。但是，目前最传统的N719染料只允许吸收到700nm的光谱。一种旨在修饰太阳能光谱以获得更好的光谱匹配的方法就是光谱转换。不同类型的光谱转换方法被证明可行：通过上转换将多个低能量光子转换为高能量光子，或者通过下转换和量子剪裁将高能量光子转换为多个低能量光子。 本文通过制备以La_2O_2S、Gd_2O_3和NaYF_4为基质的上下转换荧光粉，并引入DSSC的TiO_2发光层中，以达到转换紫外光或红外光为可见光的目的。利用XRD、荧光光谱、电池光电性能等测试荧光粉及其对电池光电性能的影响。荧光粉引入到DSSC发光层中，形成p型掺杂效应，以提高电池的光电流、开路电压和光电转换效率。 1)用溶胶-凝胶法制备La_2O_2S:Eu~(3+)下转换荧光粉，并引入到DSSC发光层中。作为发光媒介，La_2O_2S:Eu~(3+)荧光粉可以通过下转换作用增强电池对紫外光的吸收。在掺杂量为3wt.%时，所制DSSC光电转换效率最高为7.21%，比未掺杂时提高了25%。在24mW cm-2紫外光照射下，通过掺杂La_2O_2S:Eu~(3+)荧光粉，DSSC的光电转换效率从0.943%提高到1.25%。 2)用沉淀-煅烧法制备Gd_2O_3:Er~(3+)上转换荧光粉纳米管，并引入到DSSC发光层中。在文中表征了Gd_2O_3:Er~(3+)荧光粉的XRD、SEM、EDS和激发发射光谱，确定了其物相、形貌、元素组成和光学特性。掺有Gd_2O_3:Er~(3+)上转换荧光粉纳米棒的发光层，具有上转换发光和光散射两大功能，在掺杂量为5wt.%时，所制DSSC光电转换效率最高为7.55%，比未掺杂时提高了27%。在33mW cm-2红外光照射下，通过掺杂Gd_2O_3:Er~(3+)荧光粉，DSSC的光电转换效率从0.0943%提高到0.229%。 3)用水热-煅烧法制备了NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)上转换荧光粉。通过表征其XRD、SEM、EDS和激发发射光谱，研究了其物相、形貌、元素组成和光学特性。当掺杂量为4wt.%时，所制DSSC光电转换效率最高为7.73%，比未掺杂时提高了30%。在33mW cm-2红外光照射下，通过掺杂NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)荧光粉，DSSC的光电转换效率从0.0943%提高到0.235%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 稀土 p型掺杂 上转换 荧光粉
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TB34
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 引言11-12
• 1.2 DSSC 的结构和原理12-14
• 1.2.1 DSSC 基本结构12-13
• 1.2.2 DSSC 工作原理13-14
• 1.3 DSSC 研究热点14-20
• 1.3.0 DSSC 理论极限效率14-15
• 1.3.1 强烈吸收 D-π-A (donor-pi-acceptor) 染料15-16
• 1.3.2 氧化还原电对16-17
• 1.3.3 界面修饰17
• 1.3.4 光滞留17-18
• 1.3.5 共敏染料和能量继电器染料18-20
• 1.4 上下转换发光材料及应用进展20-22
• 1.4.1 上转换机理20-22
• 1.5 本文研究意义22-25
• 第2章 电池的制备及性能表征25-31
• 2.1 DSSC 各部件的制作及组装25-26
• 2.1.1 导电玻璃的预处理25
• 2.1.2 纳米晶 TiO_2胶体的制备25
• 2.1.3 阳极膜的制备25-26
• 2.1.4 电解质的配制26
• 2.1.5 敏化剂26
• 2.1.6 对电极的制备26
• 2.1.7 DSSC 的组装26
• 2.2 染料敏化太阳能电池的性能指标26-28
• 2.2.1 开路电压27
• 2.2.2 短路电流27
• 2.2.3 填充因子27
• 2.2.4 总光电转换效率27
• 2.2.5 DSSC 的 I-V 特性曲线27-28
• 2.3 DSSC 的性能测试及相关表征28-29
• 2.3.1 X-射线（XRD）衍射分析28-29
• 2.3.2 样品形貌的观察29
• 2.3.3 荧光光谱分析29
• 2.3.4 I-V 特性曲线的测量29
• 2.3.5 IPCE29
• 2.4 主要的实验仪器和药品29-31
• 2.4.1 主要的实验仪器29
• 2.4.2 主要的实验药品29-31
• 第3章 La_(32)O_2S:Eu~+荧光粉的制备及其在 DSSC 中的应用31-39
• 3.1 引言31
• 3.2 实验部分31-32
• 3.2.1 TiO_2胶体及光阳极的制备31
• 3.2.2 La_2O_2S:Eu~(3+)下转换荧光粉的制备31-32
• 3.2.3 转换发光胶体及其光阳极的制备32
• 3.2.4 DSSC 组装及光电性能的测试32
• 3.3 结果与讨论32-37
• 3.3.1 La_2O_2S:Eu~(3+)荧光粉的 XRD 图32-33
• 3.3.2 La_2O_2S:Eu~(3+)荧光粉的光学性质33-34
• 3.3.3 下转换荧光粉对 DSSC 光电性能的影响34-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第4章 Gd_2O~(3+)3:Er纳米管的制备及其在 DSSC 中的应用39-47
• 4.1 引言39
• 4.2 实验部分39-40
• 4.2.1 TiO_2胶体及光阳极的制备39
• 4.2.2 Gd_2O_3:Er~(3+)上转换荧光粉的制备39-40
• 4.2.3 转换发光胶体及其光阳极的制备40
• 4.2.4 DSSC 组装及光电性能的测试40
• 4.3 结果与讨论40-46
• 4.3.1 Gd_2O_3:Er~(3+)荧光粉的物相及形貌分析40-41
• 4.3.2 Gd_2O_3:Er~(3+)荧光粉的光学特性41-43
• 4.3.3 Gd_2O_3:Er~(3+)荧光粉对 DSSC 光电性能的影响43-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)荧光粉的制备及其在 DSSC 中的应用47-57
• 5.1 引言47
• 5.2 实验部分47-48
• 5.2.1 TiO_2胶体及光阳极的制备47
• 5.2.2 NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)上转换荧光粉的制备47-48
• 5.2.3 转换发光胶体及其光阳极的制备48
• 5.2.4 DSSC 组装及光电性能的测试48
• 5.3 结果与分析48-55
• 5.3.1 晶体结构、元素分析及形貌观察48-50
• 5.3.2 NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)荧光粉的光学特性50-51
• 5.3.3 NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)上转换荧光粉对 DSSC 光电性能的影响51-55
• 5.4 本章小结55-57
• 第6章 结论57-59
• 参考文献59-67
• 致谢67-69
• 硕士研究生在读期间发表的论文69

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