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染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的优化

杨广涛  
【摘要】:提高染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转换效率和稳定性是该电池能否早日商业化生产的瓶颈问题。根据光阳极研究的最新进展,在纳米粉末制备光阳极技术的基础上,本论文首次将不同粒径的胶质碳球加入到纳米颗粒中造孔作为散射中心,得到针形微孔新颖形貌的光阳极,有效提高了光阳极的散射能力,提高了染料敏化太阳能电池的光捕获效率和电池的光电转换效率。本论文的具体研究内容是:溶胶凝胶法制备的二氧化钛纳米粒子粒径较小,约为18nm。这种小粒径的二氧化钛纳米粒子制备的光阳极具有较高的比表面积,能有效提高染料吸附量。但由于小粒径的纳米粒子排列过于致密,制成的膜呈透明状态,这不利于射入光阳极内光的散射。为提高光阳极对射入的光的散射效果,我们在一定量浆料中掺混了粒径分别为250nm,500nm,700nm不同大小相同量(15wt%)的碳球,然后涂覆在导电玻璃上的薄膜经高温烧结后碳球被烧掉,膜中就出现了较多的孔洞,孔洞的大小约为掺入碳球粒径大小,我们研究了电池效率随孔洞大小的变化关系。通过研究发现在相同厚度下当掺混500nm一定量(15wt%)碳球时电池的光捕获效率及光电转换效率达到最优。 我们在此结论基础上又继续研究了一定量浆料中掺混500nm不同量碳球造孔对电池光电转换效率的影响。实验过程中所用浆料二氧化钛纳米粒子浓度相同。研究发现随着掺混碳球量的增加,光阳极对入射光散射效果逐渐增强,光阳极的染料吸附量降低,当掺混500nm质量为浆料中二氧化钛纳米粒子质量15%碳球时电池效率达到最优。实验研究了孔洞量的多少对光阳极散射和染料吸附能力以及组装电池后光电转换效率的影响。我们通过比对实验发现造孔后光阳极的散射效果得到了很大提高,并且掺混15wt%碳球造孔后的电池效率达到最优,电池最优光电转换效率从造孔前的5.5%(Jsc=11.7mAcm~(-2), Voc=0.645V, FF=0.699)提高到造孔后的7.2%(Jsc=14.8mAcm~(-2), Voc=0.657V, FF=0.703),约提高了31%。 此外我们还在光阳极中掺混含氮元素空心球,增加光阳极散射效果的同时,改变光阳极导带和价带间的能级差,拓宽光阳极对更宽波段单色光的响应度,研究了掺混氮元素后的光阳极组装的电池光电转换效率及填充因子随厚度变化的关系。


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