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《吉林大学》 2012年
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ZnO、TiO_2微/纳结构合成及其气敏与太阳电池应用研究

张艳艳  
【摘要】:目前,各种尺寸与形貌的ZnO和TiO_2微/纳米材料及其应用都有很多报道。 ZnO以其形貌的多样性而使得人们在其形貌控制上做了很多研究。而TiO_2在太阳能电池的应用上备受关注。 ZnO和TiO_2微/纳米材料的合成是材料性能研究的基础。因此,如何控制合成具有特殊形貌的ZnO以及如何提高TiO_2纳米材料太阳能电池的性能都是当前的研究热点。对ZnO和TiO_2微/纳米材料合成方法进行改进,探索晶体结构、形貌与生长机理对材料性能的影响有重要意义。本论文以ZnO和TiO_2微/纳米材料为中心,对其制备方法、表征、生长机理以及气敏和光电转换等方面的特性进行研究,并得到了一系列有意义结果。 (1)采用溶剂热合成法不使用任何模板和添加剂制备孪生的ZnO微晶,研究反应温度和时间对ZnO微晶的影响并研究其生长机理。对ZnO晶体制作成的气体传感器进行气敏特性研究。 ZnO微晶气敏元件在250C时对20ppm的乙醇气体中表现出良好的敏感特性。灵敏度约为6.4,响应和恢复时间分别为3s和20s。 (2)在TiO_2纳米颗粒(TNPs)阳极中嵌入化学腐蚀以后的Ti金属网,考察这种染料敏化太阳能电池(DSSC)性能随尺寸变化的规律并与传统的电池进行比较。发现,传统FTO玻璃基底的DSSC尺寸由0.25cm~2增大到9cm~2的时候,短路电流密度Jsc迅速由17.90mA/cm~2下降到5.99mA/cm~2,填充因子也从0.55变为0.25,这使得最终的光电转换效率从7.92%下降到1.18%。相比之下,含有Ti金属网的光阳极,在面积为9cm~2时,表现出相对较好的光电转换性能,效率约为1.62%。 (3)将TiO_2纳米颗粒与电化学阳极氧化法制备的TiO_2纳米管(TNTs)阵列相结合作为染料敏化太阳能电池阳极,研究这种复合结构的阳极光电性能。经过不同结构阳极的比较发现,在相同的Ti基底上,TNTs/TNPs复合薄膜的阳极材料比仅含有TNPs的光阳极表现出较高的短路电流密度,约为9.36mA/cm~2,光电转换效率为4.82%。与传统FTO玻璃基底的电池相比较,在面积小于1cm2时,传统FTO基底的DSSC的具有较高的短路电流密度和光电转换效率,面积从0.25cm~2增大到9cm2,传统电池光电转换效率从7.92%下降到1.18%。而以Ti为收集电极,TNTs/TNPs复合阳极的DSSC在面积9cm~2时,光电转换效率仍然保持较高的数值约为2.92%,远远高于传统FTO基底的电池。 (4)将CNTs粉末分散到TiO_2纳米颗粒的paste中得到CNTs含量为0.2wt%的混合的paste,考察这种paste在不同基底上表现的光电性能。通过对四种不同结构的光阳极((CNTs+TNPs)/TNTs/Ti、(CNTs+TNPs)/Ti、TNPs/TNTs/Ti、TNPs/Ti)性能的比较发现,(CNTs+TNPs)/TNTs/Ti结构的光阳极具有最高的短路电流密度14.27mA/cm~2,光电转换效率最高可以达到6.34%。说明这两种材料复合以后的阳极结构可以得到更高的光电性能。
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