氧化锌基全固态染料敏化太阳能电池的制备及性能优化

【摘要】：第三代太阳能电池——染料敏化太阳能电池(DSSC),具有制备工艺简单、设备要求简单,原材料成本低等优点,吸引了大量研究学者们的眼球,成为了太阳能电池中的一个重要的研究领域。相比于液态染料敏化太阳能电池而言,全固态染料敏化太阳能电池具备寿命长、稳定性强和容易封装等优点。运用最广泛的DSSC的光阳极材料是Ti O2和Zn O。Zn O与Ti O2具有非常相似的能带结构(带隙为3.37e V),但与Ti O2相比,Zn O的载流子迁移率远远大于Ti O2,能够缩短电子到达外电路所需的时间,提高了电子在DSSC中的传输效率。Zn O纳米棒作为诸多纳米Zn O形貌中的一种,它具有很多优点:(1)大的比表面积,能够吸附较多的染料;(2)作为电子的良导体,有利于电子的传输;(3)存在表面耗尽层,促进电荷的有效分离,降低电子-空穴的再复合效率等。本论文采用Zn O纳米棒作为DSSC的光阳极材料,希望能够借此提高DSSC的光电转换效率。1、本文采用低温水热法制备Zn O纳米棒粉末,并且采用染料Z907进行表面改性,再与P3HT混合组装P3HT/Zn O异质结太阳能电池。用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计、荧光光谱、I-V曲线测试仪等表征手段研究了Z907的敏化对其形貌、结构、光吸收性能、电荷传输效率的影响和P3HT/Zn O异质结太阳能电池的性能。测试出的光电池开路电压为0.48V,短路电流是0.80m A/cm2,填充因子是0.55,光电转换效率达到了0.21%。2、本文采用高分子软模板法制备Zn O纳米棒阵列,研究络合溶液的p H值、醋酸锌浓度、醋酸锌与PVP的摩尔比和水浴反应时间这四个变量对纳米Zn O形貌的影响以及Zn O纳米棒阵列生长机理的分析。用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计、荧光光谱等表征手段研究了反应条件对纳米Zn O形貌、结构、光吸收性能、发光性能的影响。(1)改变络合溶液的p H值,采用高分子软模板法制备纳米Zn O。随着络合溶液的p H值增大时,场发射扫描电镜结果表明纳米Zn O的极性生长趋势变得越来越明显了;X射线衍射结果表明样品是六方相红锌矿结构的Zn O,随着p H值从p H1增大到p H4,(002)衍射峰的强度在逐渐的变大,这表明纳米Zn O的极性生长趋势越明显了。随着p H值从p H1增大到p H4时,吸收边从391nm增大到了421nm左右,Zn O纳米棒对可见光的吸收范围略微增大了一点。荧光光谱结果表明缺陷引起的荧光强度变得越来越小了,说明Zn O的结晶度变得越来越好了。(2)改变醋酸锌的浓度,采用高分子软模板法制备Zn O纳米棒阵列。随着醋酸锌浓度增大时,场发射扫描电镜结果表明Zn O纳米棒的平均长度从0.056μm增大到了1μm左右;Zn O纳米棒的平均直径从9nm增大到95nm左右;X射线衍射结果表明(002)峰的强度在逐渐变强,衍射峰变得越来越尖锐,说明生成的Zn O纳米棒沿(002)晶面极性生长趋势越来越大;紫外可见吸收光谱结果表明样品的吸收边从400nm增大到了425nm左右,对可见光的吸收强度也增大了;荧光结果表明Zn O纳米棒的表面缺陷浓度先减小后增大。(3)改变PVP与醋酸锌的摩尔比,采用高分子软模板法制备Zn O纳米棒阵列。随着PVP与Zn2+摩尔比的浓度增大时,场发射扫描电镜结果表明Zn O纳米棒的平均直径都处于70nm-80nm的范围内,且平均长度从1.18μm减小到0.76μm;X射线衍射结果表明(002)峰的强度在逐渐变强,衍射峰变得越来越尖锐;紫外可见吸收光谱结果表明样品吸收边从387nm增大到了440nm左右;荧光结果表明样品表面的缺陷浓度减低了。(4)改变水浴反应时间,采用高分子软模板法制备Zn O纳米棒阵列。当水浴反应时间增大时,场发射扫描电镜结果表明Zn O纳米棒的平均直径从64nm增大到了78nm左右;平均长度从0.36μm增大到了1μm左右;X射线衍射结果表明(002)衍射峰的强度在不断的增大,表明Zn O纳米棒沿(002)晶面极性生长趋势越来越大;紫外可见吸收光谱结果表明样品吸收边从401nm增大到了436nm左右;荧光结果表明缺陷引起的荧光强度在变弱,说明Zn O纳米棒表面的缺陷密度在变小。(5)生长机理:Zn O纳米棒阵列是经过络合反应、Zn(OH)2的形成、热分解、PVP碳化、碳的还原、锌的氧化和碳的除去这七个过程合成的。p H值主要影响着络合反应的过程,当PVP-Zn2+络合溶液的p H值较小时,溶液整体显正电,PVP质子化的程度将变高,导致PVP中的羰基官能团与Zn2+之间的络合作用将变弱。然而当PVP-Zn2+络合溶液的p H值较大时,溶液整体显负电,PVP质子化的程度将变的相对弱,导致PVP中的羰基官能团与Zn2+之间的络合作用将变强。 【关键词】：ZnO纳米棒 ZnO纳米棒阵列 水热法 高分子软膜板法 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• abstract8-17
• 1 绪论17-28
• 1.1 太阳能电池17-18
• 1.2 染料敏化太阳能电池18-20
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构18-19
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的基本原理19-20
• 1.3 全固态染料敏化太阳能电池20-24
• 1.3.1 光阳极材料20-23
• 1.3.2 敏化剂23-24
• 1.3.3 全固态电解质24
• 1.4 ZnO基全固态染料敏化太阳能电池的研究现状24-25
• 1.5 研究目的和意义25-26
• 1.6 研究内容和创新点26-28
• 1.6.1 研究内容26-27
• 1.6.2 创新点27-28
• 2 实验部分28-40
• 2.1 实验试剂28-29
• 2.2 实验仪器29-30
• 2.3 实验内容30-34
• 2.3.1 低温水热法制备ZnO纳米棒粉末30-31
• 2.3.2 染料Z907对ZnO纳米棒粉末的改性31-32
• 2.3.3 ZnO纳米棒固态染料敏化太阳能电池的制备32-33
• 2.3.4 高分子软模板法制备ZnO纳米棒阵列33-34
• 2.4 样品的表征34-40
• 2.4.1 场发射扫描电子显微镜34-35
• 2.4.2 X射线衍射仪35-36
• 2.4.3 紫外可见分光光度计36-37
• 2.4.4 荧光光谱仪37-38
• 2.4.5 I-V曲线38-40
• 3 P3HT/ZnO纳米棒异质结太阳能电池的制备和性能优化40-61
• 3.1 本章引言40
• 3.2 ZnO纳米棒粉末40-43
• 3.2.1 样品的FESEM分析40-42
• 3.2.2 样品的XRD分析42
• 3.2.3 样品的UV-vis分析42-43
• 3.3 不同质量比的P3HT与ZnO纳米棒薄膜43-46
• 3.3.1 样品的XRD分析43-44
• 3.3.2 样品的UV-vis分析44-45
• 3.3.3 样品的PL分析45-46
• 3.4 Z907-ZnO复合薄膜46-48
• 3.4.1 样品的XRD分析46
• 3.4.2 样品的UV-vis分析46-47
• 3.4.3 样品的PL分析47-48
• 3.5 P3HT/Z907-ZnO混合薄膜48-58
• 3.5.1 样品的XRD分析48-51
• 3.5.2 样品的UV-vis分析51-53
• 3.5.3 样品的红外分析53-55
• 3.5.4 样品的PL分析55-57
• 3.5.5 样品的荧光寿命分析57-58
• 3.6 P3HT /Z907-ZnO异质结太阳能电池58-59
• 3.6.1 样品的I-V曲线分析58-59
• 3.7 本章小结59-61
• 4 ZnO纳米棒阵列的合成与表征61-82
• 4.1 本章引言61
• 4.2 络合溶液的pH值影响61-65
• 4.2.1 样品的FESEM分析61-62
• 4.2.2 样品的XRD分析62-63
• 4.2.3 样品的UV-vis光谱分析63-64
• 4.2.4 样品的PL光谱分析64-65
• 4.3 醋酸锌浓度的影响65-69
• 4.3.1 样品的FESEM分析65-66
• 4.3.2 样品的XRD分析66-67
• 4.3.3 样品的UV-vis吸收光谱分析67-68
• 4.3.4 样品的PL光谱分析68-69
• 4.4 PVP与Zn2+不同摩尔比的影响69-73
• 4.4.1 样品的FESEM分析69-70
• 4.4.2 样品的XRD分析70-71
• 4.4.3 样品的UV-vis分析71-72
• 4.4.4 样品的PL分析72-73
• 4.5 水浴反应时间的影响73-76
• 4.5.1 样品的FESEM分析73-74
• 4.5.2 样品的XRD分析74-75
• 4.5.3 样品的UV-vis光谱分析75
• 4.5.4 样品的PL分析75-76
• 4.6 ZnO纳米棒阵列的生长机理76-80
• 4.7 本章小结80-82
• 5 结论与展望82-86
• 5.1 结论82-85
• 5.2 展望85-86
• 参考文献86-93
• 作者简历93

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