染料敏化太阳能电池光阳极的研究

【摘要】：随着化石能源的日益枯竭及温室效应和环境污染等问题的日益严重,太阳能的有效合理利用成为解决这些问题的一种重要途径之一,是一种发展趋势。太阳能电池能实现无机械转化和污染副产品的情况下,把太阳能直接转化为电能。因此,太阳能电池的研究一直是一个热点,而且发展越来越快。 染料敏化太阳能电池由于其价格便宜、工艺简单、环境友好、形状多样化等优点而可能替代传统的硅基电池。染料敏化太阳能电池的基本结构主要由五部分组成：导电基底,光阳极,染料敏化剂,电解质,对电极等。导电基底决定了染料敏化太阳能电形状。在不同基底上合理的选择和组建光阳极,对染料敏化太阳能电池的性能极其关键。一般的,光阳极的构建需要考虑三方面的因素：光阳极材料,电子传输通道,染料吸附等。基于此,本课题做了一下几方面的工作： (1)简单构建长程有序比表面积大的TiO2光阳极。通过一步水热反应,在多种金属丝上原位合成锐钛矿TiO2纳米树状阵列,该结构由TiO2纳米线树干和大量的短TiO2纳米棒分支组成。其应用于纤维染料敏化太阳能的光阳极,钛丝基底的最高能量转化效率达6.32%；而钨丝基底的效率3.24%,这是由于退火形成的WO3层增强了电荷复合。如果基底是氧化的镍丝,能得到一种异形的纤维P-N异质结。这种通用方法制备能实现在各种金属丝上制备锐钛矿TiO2树状纳米阵列,该方法简单,易实现,低成本,可能满足多种光电应用对基底的要求。 (2)简单制备ZnO光阳极,并发现种子层对电池性能的影响。在锌丝上一步合成ZnO纳米分层结构,该结构的生成过程是反应的初先沉积ZnO颗粒层,再以颗粒层为种子生成ZnO纳米线阵列。生成的ZnO纳米材料应用于纤维染料敏化太阳能电池光阳极,0.5小时生成光阳极的能量转换效率为0.98%。但随着ZnO光阳极生成时间的延长效率反而减小,这主要是ZnO颗粒种子层的影响。延长反应时间,ZnO纳米颗粒更大,吸附染料量减小；但当纳米线吸附染料占主导时,更长纳米线使电荷更容易复合。 (3)微波水热合成SnO2复合微米球,该结构由纳米棒和颗粒团簇而成。SnO2复合微米球应用于染料敏化太阳能电池光阳极,经TiO2修饰后能量转化效率从1.40%提高到了4.15%,这是因为修饰后光阳极的导带更负抑制了电荷的复合。SnO2及其TiO2修饰后光阳极应用于的紫外光探测器,器件自驱动的电流响应成矩形方波信号,而且响应度极高。SnO2光阳极经TiO2修饰后,自驱动紫外探测器响应度从91提高到6229,响应时间从0.15s加快到0.055s。 (4)半导体敏化太阳能电池发源于染料敏化太阳电池,以半导体敏化剂替代染料分子。半导体敏化剂对光阳极的覆盖率低是影响半导体敏化太阳能电池性能的关键的问题之一。通过离子交换,ZnO纳米线阵列转化为能级可调的ZnO/(CdS)1-x(ZnS)x核壳同轴纳米线阵列结构,半导体敏化剂紧密全覆盖ZnO纳米线,从而解决了覆盖度低的问题。CdS敏化太阳能电池的能量转化效率为2.1%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 纤维 光阳极 半导体敏化太阳能电池
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-33
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 染料敏化太阳能电池的组成和工作原理14-15
• 1.3 染料敏化太阳能电池的性能指标15-17
• 1.4 染料敏化太阳能电池的研究进展17-30
• 1.4.1 导电基底的研究进展17-19
• 1.4.2 光阳极的研究进展19-27
• 1.4.2.1 TiO_2光阳极20-23
• 1.4.2.2 ZnO光阳极23-24
• 1.4.2.3 SnO_2光阳极24-25
• 1.4.2.4 Nb_2O_5光阳极25-26
• 1.4.2.5 Zn_2SnO_4光阳极26
• 1.4.2.6 其他光阳极26-27
• 1.4.3 染料光敏化剂的研究进展27-28
• 1.4.4 电解质的研究进展28-29
• 1.4.5 对电极的研究进展29-30
• 1.5 本工作的研究意义和主要内容30-33
• 2 锐钛矿TiO_2纳米树状阵列可用于纤维染料敏化太阳能电池33-48
• 2.1 研究背景33-34
• 2.2 实验部分34-36
• 2.2.1 实验材料34-35
• 2.2.2 金属丝上沉积TiO_2种子层35
• 2.2.3 合成树状TiO_2纳米阵列35
• 2.2.4 制作纤维状染料敏化太阳能电池35-36
• 2.3 测量和表征36
• 2.4 实验结果及分析36-47
• 2.4.1 材料表征分析36-41
• 2.4.2 纤维染料敏化太阳能电池光伏性能表征41-47
• 2.5 本章小结47-48
• 3 在锌丝上原位合成ZnO分层纳米结构应用于纤维染料敏化太阳能电池48-58
• 3.1 研究目的48-49
• 3.2 实验部分49-50
• 3.2.1 实验试剂49
• 3.2.2 水热合成ZnO分层纳米结构49
• 3.2.3 纤维染料敏化太阳能电池的制备49-50
• 3.3 测量和表征50
• 3.4 结果和讨论50-53
• 3.5 纤维染料敏化太阳能电池的光伏特性53-57
• 3.6 本章小结57-58
• 4 TiO_2修饰SnO_2复合微球应用于增强染料敏化太阳能电池和自驱动紫外探测器58-72
• 4.1 研究目的58-59
• 4.2 实验部分59-60
• 4.2.1 实验材料59
• 4.2.2 微波水热法制备SnO_259
• 4.2.3 制备SnO_2光阳极59-60
• 4.2.4 TiO_2修饰SnO_2光阳极60
• 4.2.5 染料敏化太阳能电池及紫外光探测器的制备60
• 4.3 测量和表征60-61
• 4.4 结果和讨论61-71
• 4.4.1 光阳极材料表征结果61-64
• 4.4.2 染料敏化太阳能电池性能分析64-69
• 4.4.3 自驱动紫外光探测器表征69-71
• 4.5 本章小结71-72
• 5 能级可调ZnO/(CdS)_(1-x)(ZnS)_x同轴纳米线阵列应用于半导体敏化太阳能电池72-84
• 5.1 研究目的72-73
• 5.2 实验部分73-74
• 5.2.1 实验材料73
• 5.2.2 ZnO种子层的制备73
• 5.2.3 ZnO纳米线阵列的制备73
• 5.2.4 阳离子交行制备ZnO/ZnS同轴纳米线阵列73-74
• 5.2.5 阴离子交行制备ZnO/(CdS)_(1-x)(ZnS)_x同轴纳米线阵列74
• 5.2.6 半导体敏化太阳能电池的制备74
• 5.3 测量和表征74-75
• 5.4 材料分析结果75-82
• 5.5 半导体敏化太阳电池的性能82-83
• 5.6 本章小结83-84
• 6 全文总结与展望84-87
• 6.1 本文的主要研究结果84-85
• 6.2 本文创新之处85
• 6.3 下一步的工作展望85-87
• 致谢87-88
• 参考文献88-116
• 附录 攻读博士学位期间发表和待发表的论文目录116-117
• 附录3 攻读傅士学位期间申请专利情况117

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