量子点敏化及磁场作用下染料敏化太阳能电池光电性能的研究

【摘要】：能源问题作为全球关注的三大问题之一，已经成为世界各国经济发展中急待解决的问题。开发和利用可再生能源已经迫在眉睫。染料敏化太阳能电池是一类新兴的光伏器件，具有制作工艺简单、成本低的优点。然而，目前染料敏化太阳能电池存在着转换效率不高、长期稳定性差等缺点，限制了它的大规模应用。 染料敏化太阳能电池中电子转移过程主要包括光生载流子在半导体中的产生、复合和界面迁移等，在此过程中产生了大量易受磁场影响的电子、空穴，因此，我们认为外加磁场有可能通过对这些带电粒子行为的影响，进而影响电池的光电性能以及量子效率。所以针对染料敏化太阳能电池存在的光阳极电子迁移率低、光生电子和空穴复合严重等问题，我们提出外加磁场产生洛伦兹力来促进电子空穴的分离，从而提高染料敏化太阳能电池光电转化率的构思。 本论文采用CdS、PbS、CdSe量子点以及N719染料对多孔TiO_2薄膜及ZnO纳米阵列进行敏化，组装成染料敏化太阳能电池，研究了外加磁场对电池光电性能的影响。结果表明，在磁场作用下，N719染料敏化的TiO_2薄膜电池在磁场中最大的短路电流密度是10mA/cm~2，比没有磁场时的短路电流密度8.32mA/cm~2增加了20.2%；其在磁场中最大的效率是5%比没有磁场时的效率4.68%增加了6.8%。CdS量子点敏化ZnO纳米阵列电池在磁场中最大的短路电流密度是2.66mA/cm~2，比没有磁场时的短路电流密度1.92mA/cm~2增加了39%；在磁场中最大的效率是0.55%比没有磁场时的效率0.34%增加了62%。通过分析敏化前后磁场作用下光阳极薄膜电阻变化以及光电池的暗电流，说明在一定大小磁场中，由于洛伦兹力的作用光生电子和空穴的运动方向发生偏转，促进了光生电子和空穴的分离，从而减少光阳极中电子和氧化态染料、氧化态电解质之间的复合，导致染料敏化太阳能电池的光电流和光电转换效率的提高。这种简单易行的方法为提高染料敏化太阳能电池的光电性能提供了新途径。 简单水热法生长的核壳结构ZnO微球具有较高的比表面积，增加了染料吸附量。核壳结构对入射光有散射作用，延长了光线在光阳极内的传输路径，使入射光被多次吸收利用，从而使光阳极更有效的捕获光子，最终提高了电池光电转换效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 量子点 磁场 TiO_2 ZnO
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 染料敏化太阳能电池简介10-15
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的组成和结构10-12
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的原理和性能参数12-15
• 1.3 量子点敏化的染料敏化太阳能电池的研究现状15-16
• 1.3.1 量子点的特性15-16
• 1.3.2 量子点敏化太阳能电池的研究现状16
• 1.4 提高染料敏化太阳能电池光电性能的方法16-17
• 1.5 磁场的作用17-18
• 1.6 选题意义及研究内容18-19
• 第二章 TiO_2光阳极的制备及性能研究19-36
• 2.1 实验试剂与仪器19-20
• 2.2 实验过程20-23
• 2.2.1 电池的制备20-23
• 2.2.2 加磁场后光电池 I-V 曲线测试装置示意图23
• 2.3 实验结果与讨论23-35
• 2.3.1 不同敏化剂下 DSSC 的光电性能23-28
• 2.3.2 磁场作用下 DSSC 的光电性能的影响28-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 ZnO 光阳极的制备及性能研究36-52
• 3.1 实验试剂与仪器36-37
• 3.2 实验过程37-38
• 3.2.1 ZnO 纳米阵列的制备37-38
• 3.2.2 CdS 量子点敏化38
• 3.2.3 核壳结构 ZnO 微球的制备38
• 3.2.4 电池的组装38
• 3.3 实验结果与讨论38-51
• 3.3.1 不同敏化剂敏化 ZnO 纳米阵列用作光阳极的 DSSC 的光电性能38-41
• 3.3.2 磁场对 ZnO 纳米阵列光阳极制备的 DSSC 光电性能的影响41-48
• 3.3.3 核壳结构 ZnO 微球表征及光电性能研究48-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 结论52-54
• 参考文献54-58
• 发表论文和科研情况说明58-59
• 致谢59-60

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