ZnO/Cu_2O敏化太阳能电池的制备及其光电化学性能研究

【摘要】：纳米晶敏化太阳能电池(DSSC)是高效率、低成本太阳能电池的一个重要发展方向。氧化锌(ZnO)纳米柱阵列作为光阳极可以有效地降低电子传输的晶界势垒和传输损耗，提高电荷传输能力，是最有潜力的光阳极材料之一。ZnO禁带宽度较大，只能吸收紫外波段的光。为了拓宽光谱吸收范围，通常需要与窄带隙半导体进行复合。氧化亚铜(Cu_2O)与硫化镉(CdS)具有禁带宽度窄、价格低廉、储量丰富、稳定性好等优点，是优良的半导体敏化剂材料。它们在敏化电池中具有很大的应用前景。本文主要研究内容及结果如下： 1.首先在FTO(F:SnO_2)衬底上旋涂ZnO薄膜作为晶种，再用水热法生长ZnO纳米柱阵列。研究了晶种层退火温度(260℃，360℃，460℃)、晶种层的旋涂次数以及溶液浓度对纳米柱阵列的影响。结果表明：随着晶种层退火温度升高，阵列密度降低，这主要是由于晶种互相作用使得部分晶粒聚结长大，造成成核点减少；随着晶种层旋涂次数的增加，晶种层越厚，使成核点增多，阵列密度增加；随着溶液浓度的降低，阵列直径变小，均匀性变差。 2.以上述方法制备的ZnO纳米柱阵列为衬底，采用化学水浴法沉积Cu_2O纳米晶，得到ZnO/Cu_2O复合膜，研究了复合膜的微观结构与光电性能。然后以ZnO/Cu_2O复合膜为光阳极、铂(Pt)为对电极组装成敏化太阳能电池，并研究了晶种层旋涂次数与晶种层退火温度对其光电化学性能的影响。结果表明：所制备的Cu_2O为多晶四方结构；复合膜光谱响应范围扩展到可见光区且具有整流效应；晶种层越厚，晶种层退火温度越高，电池光电转化效率越高。因为随着旋涂次数的增加，阵列密度也增大，因此能吸附更多的Cu_2O纳米晶，提高光的捕获效率；提高退火温度可以改善ZnO的结晶度，降低载流子复合损失。最后，在旋涂三次并460℃逐层退火的ZnO晶种上生长ZnO/Cu_2O复合光阳极并组装成敏化电池，它的开路电压达到0.27V，短路电流达到1.25mA/cm~2。 3.在ZnO与Cu_2O之间插入采用超声化学水浴法沉积的CdS量子点，得到ZnO/CdS/Cu_2O复合膜，并以复合膜为光阳极、Pt为对电极组装成敏化太阳能电池，研究了不同CdS沉积时间(1min，3min，5min，7min)对其光电化学性能的影响。结果发现：随着CdS沉积时间的增加，电池的短路电流增加，在沉积5分钟时获得了6.7mA/cm~2的最大短路电流和0.31%的最高光电转化效率。当沉积时间进一步增加时，短路电流开始下降，这可能是由于CdS的电子注入效率降低造成的。 【关键词】：氧化亚铜 氧化锌 量子点 纳米晶敏化电池 光阳极
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 太阳能电池概述9-11
• 1.1.1 太阳能电池的研究意义9
• 1.1.2 太阳能电池的分类9-11
• 1.2 纳米晶敏化太阳能电池简介11-16
• 1.2.1 纳米晶敏化太阳能电池的基本结构11-12
• 1.2.2 纳米晶敏化太阳能电池的工作原理12-13
• 1.2.3 光阳极13-14
• 1.2.4 敏化剂14-16
• 1.3 ZnO/Cu_2O 太阳能电池的研究现状16-17
• 1.4 敏化太阳能电池的参数表征17-18
• 1.5 本论文的选题依据与主要内容18-20
• 1.5.1 选题依据18-19
• 1.5.2 主要内容19-20
• 第二章 ZnO 纳米柱阵列的水热法制备与表征20-27
• 2.1 引言20
• 2.2 ZnO 纳米柱阵列的水热法制备20-22
• 2.2.1 实验设备与原料20-21
• 2.2.2 实验步骤21-22
• 2.3 溶液的浓度对 ZnO 纳米柱阵列的影响22-24
• 2.4 晶种层对 ZnO 纳米柱阵列的影响24-26
• 2.4.1 晶种层厚度的影响24-25
• 2.4.2 晶种层退火温度的影响25-26
• 2.5 小结26-27
• 第三章 ZnO/Cu_2O 敏化太阳能电池的制备与表征27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 ZnO/Cu_2O 复合光阳极敏化太阳能电池的制备27-30
• 3.2.1 实验原料27
• 3.2.2 Cu_2O 纳米晶的制备27-28
• 3.2.3 Cu_2O/ZnO 复合光阳极的制备28-29
• 3.2.4 ZnO/Cu_2O 敏化太阳能电池的组装29-30
• 3.3 Cu_2O 纳米晶薄膜的表征30-32
• 3.4 ZnO/Cu_2O 复合光阳极的表征32-38
• 3.4.1 微观结构32-34
• 3.4.2 光学与电学性能34-35
• 3.4.3 ZnO/Cu_2O 复合光阳极的光电化学性能35-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 CdS 量子点对 ZnO/Cu_2O 敏化太阳能电池性能的影响39-45
• 4.1 引言39
• 4.2 ZnO/CdS/Cu_2O 敏化太阳能电池的制备39-40
• 4.2.1 实验原料39
• 4.2.2 ZnO/CdS/Cu_2O 复合光阳极的制备39-40
• 4.2.3 电池的组装40
• 4.3 CdS 敏化 ZnO 纳米柱阵列光阳极的微观结构40-41
• 4.4 ZnO/CdS/Cu_2O 复合光阳极敏化电池的表征41-44
• 4.5 本章小结44-45
• 第五章 总结与展望45-47
• 5.1 论文总结45
• 5.2 研究展望45-47
• 参考文献47-53
• 致谢53-54
• 攻读硕士学位期间的论文发表情况54

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