锌基光电薄膜的制备、光谱调控及其光伏性能研究

【摘要】：纳米科技的飞速发展正带领人们进入一个崭新的时代。作为一个重要的分支,纳米半导体材料由于其在光学、电学、光电学等方面的独特性质在新能源等领域有着广泛的应用。其中,纳米ZnO以其高电子迁移率、宽禁带宽度和简易的形貌控制等优点,近些年来在第三代太阳能电池—染料敏化太阳能电池(DSC)中的应用研究吸引了全世界研究者的关注,然而相对较低的光电转化效率依然是困扰ZnO基DSC发展的重要障碍。本文围绕着ZnO基DSC光阳极的构建进行研究,主要针对高效光捕获能力ZnO材料的制备及其光电转化性能这一关键课题展开了研究,具体研究进展如下： 1.报道了一种可控水系法合成光电功能多分散ZnO纳米晶聚集体。实验结果显示,当控制反应液中三乙醇胺浓度为25%时合成的样品(平均粒径为700±150nm,构成聚集体的初级纳米粒子粒径在50nm左右)由于其完整的聚集体形貌和亚微米级的颗粒尺度,染料吸附量显著提高,光散射性能显著增强,电子传输阻抗显著降低,电子寿命显著延长,因此光电性能显著提升,短路电流和最终的光电转换效率分别达到11.35mA/cm2和3.91%。通过电池寿命测试进一步发现,该种ZnO纳米晶聚集体光阳极材料在基于N719染料下的DSC的光电转换效率180天后只衰减了4.3%,显示了该种材料兼具优异光电转换性能和长效稳定性；同时,其在柔性ITO/PET导电基底上展现了良好的ZnO/基底之间的粘接力,光电转换效率达到了2.22%,是聚集体形貌的ZnO纳米材料在柔性基底上的首次应用,展现了其实际应用价值和研究意义。 2.报道了一种三维微米级尺度的梭型Y2O3:Er3+上转换材料(S UC)及其在ZnO纳米晶聚集体光阳极中的应用。通过深入系统研究SUC材料的光谱特性和本征结构特性对于ZnO纳米晶聚集体光阳极的光电性能的作用机理和影响规律,发现：1)该种材料能通过Er3+的光谱转换作用能够将近红外光转化为可见光,其发光光谱(525-560nm的强绿光和660nm的较弱红光)与D205染料的强吸收光谱吻合,因此使D205染料敏化的ZnO光阳极能对红外光产生明显的光电响应而额外地提升光阳极的光吸收利用率；2)由于所构建的SUC呈现特定的三维微米级尺度结构,这使得SUC材料也能有效地增强ZnO光阳极对于入射光的光散射性能,进而协同提升了光阳极对太阳光的吸收效率。由此,掺加SUC材料的ZnO/SUC复合光阳极的光吸收性能相比纯ZnO光阳极显著提高,在最优掺加条件下(11wt%),基于复合光阳极的DSC获得了15.52mA/cm2的短路电流和5.63%的光电转换效率,较纯ZnO基电池分别增长了28.5%和38.0%。在此基础上,将电池有效面积缩小为0.09cm2后,电池的短路电流进一步上升至17.08mA/cm2,光电转换效率随之提高为6.26%。以上工作是光谱转换材料在ZnO基DSC中的首次应用报道,其结果揭示了具备特定结构的光谱转换材料在提升电池光利用和光电转化效率方面的合理性和有效性。 3.开发了一种基于三维ZnO纳米晶聚集体(NA)和二维ZnO纳米片(NS)的新型多维度ZnO NA/NS复合结构光阳极。微观表征显示,在此多维光阳极中,ZnO纳米晶聚集体作为主要骨架,而纳米片一方面在聚集体薄膜上方形成了浓密的纳米片簇骨架层,另一方面在聚集体颗粒之间形成了纳米片桥联结构。通过精细调控多维ZnO光阳极微观形貌并深入研究其构效关系与作用机制,发现多维ZnO光阳极一方面具备了源自纳米晶聚集体的强光散射性能,另一方面由于纳米片的多孔性而有效提升了其比表面积(由36.9m2/g增加至56.3m2/g)与染料吸附量(由1.58×10-7mol/cm2增加至3.87×10-7mol/cm2),同时由于单晶纳米片桥联结构作为纳米晶聚集体间的电子传输高速通道而使其电子传输阻抗显著降低(由22.7ohm减小为12.8ohm),电子寿命显著延长(由2.38ms延长为6.32ms)。基此,多维ZnO NA/NS光阳极的短路电流和开路电压分别达到17.90mA/cm2和0.631V,光电转换效率达6.66%,与单一维度ZnO纳米晶聚集体光阳极相比提高了64.0%。更进一步,在此光阳极界面层引入ZnO纳米晶致密层,以抑制电池内的电子复合反应,光伏性能测试结果表明,基于多维ZnO NA/NS光阳极的电池转换效率提升至7.35%(已报道的ZnO-DSC的最高效率为7.5%)。以上结果证明,在DSC中通过集合多种单一维度结构来构建多维度结构以实现各自的优缺点互补并发挥其协同效应,进而最终提升光阳极光电性能的可行性和有效性。 【关键词】：纳米ZnO 染料敏化太阳能电池 纳米晶聚集体 光散射 光谱调控 电子传输 光电转换性能
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ132.41;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-22
• 第一章 绪论22-52
• 1.1 引言22-23
• 1.2 纳米半导体材料23-25
• 1.2.1 纳米半导体材料的定义23
• 1.2.2 纳米半导体材料的特殊性质23-25
• 1.3 纳米ZnO材料25-32
• 1.3.1 纳米ZnO的性质与应用25-28
• 1.3.2 纳米ZnO的制备方法28-32
• 1.3.2.1 非水系法28-29
• 1.3.2.2 水系法29-31
• 1.3.2.3 固相法31
• 1.3.2.4 气相法31-32
• 1.4 染料敏化太阳能电池32-46
• 1.4.1 太阳能和太阳能电池32-34
• 1.4.2 染料敏化太阳能电池基本的结构和工作原理34-36
• 1.4.3 染料敏化太阳能电池的研发现状36-46
• 1.4.3.1 纳米半导体薄膜36-42
• 1.4.3.2 染料敏化剂42-44
• 1.4.3.3 电解质44-46
• 1.4.3.4 对电极46
• 1.5 纳米ZnO基染料敏化太阳能电池46-49
• 1.5.1 纳米ZnO基染料敏化太阳能电池的研究现状46-48
• 1.5.2 提升纳米ZnO基染料敏化太阳能电池性能的手段48-49
• 1.6 论文选题的目的、意义及研究内容49-52
• 第二章 实验涉及主要试剂、设备和表征方法52-60
• 2.1 实验涉及的主要试剂和设备52-53
• 2.2 样品表征方法53-54
• 2.2.1 样品的形貌表征53
• 2.2.2 样品的晶体结构表征和元素分析53-54
• 2.2.3 样品的孔结构表征54
• 2.2.4 样品的光谱分析54
• 2.3 锌基染料敏化太阳能电池的表征54-60
• 2.3.1 锌基染料敏化太阳能电池的制备54-56
• 2.3.2 电池的光电性能表征56-60
• 2.3.2.1 J-V测试56-57
• 2.3.2.2 IPCE测试57-58
• 2.3.2.3 EIS测试58-60
• 第三章 大尺度ZnO聚集体的水系法合成及其光电性能研究60-78
• 3.1 引言60-61
• 3.2 实验部分61
• 3.2.1 ZnO聚集体的水系法合成61
• 3.2.2 ZnO光阳极的制备与电池组装61
• 3.3 实验结果与讨论61-76
• 3.3.1 ZnO光阳极的形貌表征61-63
• 3.3.2 ZnO光阳极的晶型表征63
• 3.3.3 ZnO光阳极的形貌调控63-64
• 3.3.4 ZnO光阳极的光伏性能研究64-71
• 3.3.4.1 J-V测试65-66
• 3.3.4.2 IPCE测试66-67
• 3.3.4.3 染料吸附量和漫反射光谱测试67-70
• 3.3.4.4 EIS测试70-71
• 3.3.5 ZnO基电池寿命测试71-73
• 3.3.6 柔性ZnO光阳极的探索研究73-76
• 3.4 本章小结76-78
• 第四章 三维梭型上转换材料在ZnO基DSC中的应用研究78-96
• 4.1 引言78-79
• 4.2 实验部分79-80
• 4.2.1 三维梭型Y_2O_3：Er~(3+)的合成79
• 4.2.2 ZnO纳米晶聚集体的合成79-80
• 4.2.3 ZnO复合光阳极的制备与电池组装80
• 4.3 实验结果与讨论80-93
• 4.3.1 三维梭型Y_2O_3：Er~(3+)与ZnO纳米晶聚集体的形貌表征80-81
• 4.3.2 三维梭型Y_2O_3：Er~(3+)的EDS能谱表征81-82
• 4.3.3 三维梭型Y_2O_3：Er~(3+)的晶型表征82
• 4.3.4 三维梭型Y_2O_3：Er~(3+)的荧光光谱及机理分析82-84
• 4.3.5 ZnO复合薄膜的结构设计与构建84-86
• 4.3.6 ZnO复合薄膜的结构表征86-87
• 4.3.7 ZnO复合薄膜的光谱表征87-88
• 4.3.8 ZnO复合薄膜的染料吸附量测试88-90
• 4.3.9 ZnO复合薄膜的光伏性能表征90-93
• 4.4 本章小结93-96
• 第五章 新型高效锌基多维度纳米结构的光电性能研究96-114
• 5.1 引言96-97
• 5.2 实验部分97-98
• 5.2.1 三维ZnO纳米晶聚集体的合成和聚集体薄膜的制备97
• 5.2.2 ZnO NA/NS多维光阳极的制备与电池组装97-98
• 5.3 实验结果与讨论98-112
• 5.3.1 多维ZnO NA/NS薄膜形貌表征98-101
• 5.3.2 多维ZnO NA/NS薄膜晶型表征101-102
• 5.3.3 多维ZnO NA/NS薄膜形貌调控102-103
• 5.3.4 多维ZnO NA/NS薄膜物性表征103-105
• 5.3.5 多维ZnO NA/NS薄膜光伏性能表征105-110
• 5.3.5.1 J-V表征105-106
• 5.3.5.2 EIS表征106-109
• 5.3.5.3 IPCE表征109-110
• 5.3.6 多维ZnO NA/NS薄膜光伏性能的进一步提升110-112
• 5.4 本章小结112-114
• 第六章 结论114-116
• 参考文献116-128
• 致谢128-130
• 研究成果及发表的学术论文130-132
• 作者与导师简介132-133
• 附件133-134

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