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基于微/纳结构Zn、Sn基氧化物的染料敏化太阳能电池光阳极制备、性能研究

李政道  
【摘要】:近年来,染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells,缩写DSSCs)的研究已经取得了很大的进展,光电转换效率已超过12%。实现DSSCs的高效、长寿命、低成本是其最终实现产业化的关键。现有的研究已表明优化DSSCs系统中的半导体薄膜光电极、染料、电解液及对电极等是提高DSSCs的光电转换效率的重要途径。其中,随着纳米科学技术的发展,各种纳米结构被引入到光电极的制备中,直接影响和调控光电极对光的吸收和电子的收集转移,有效提高了DSSCs的光电转换效率。本论文主要围绕DSSCs光阳极展开研究,从光子捕获、电子收集等方面考虑,设计合成了一系列不同形貌Zn、Sn基氧化物的光阳极,提高了光利用率、改善了光电子传输行为,提高电池的短路电流,从而提高了DSSCs的光电转换效率;通过掺杂的方法对光阳极进行改性,提高电池的开路电压,增强了DSSCs的光电性能;并在此基础上探索在编织结构的柔性基底上设计构筑光阳极的形貌,提高DSSCs的光电转换效率的方法;本研究旨在为开发高效DSSCs提供实验基础和理论指导。 (1)基于光捕获利用和电子收集,设计合成新型微/纳结构,有效的提高了短路电流,从而提高了电池的光电转换效率。在第三章中,我们合成ZnO和Zn2SnO4微/纳结构DSSCs光阳极,不仅提高了薄膜的光捕获能,而且提高电子收集率,从而大大的提高电池的短路电流:(a)采用水热和高温煅烧相结合的方法合成了多孔纳米片组装的ZnO微米球微/纳结构,电池的短路电流达到了14.73mA/cm2,电子寿命高达104.7ms,光电转换效率达到了5.16%,较分散的多孔纳米片的转换效率提高了1倍;(b)用色氨酸作为形貌导向剂,合成了六边形纳米片垂直交叉组装形成的Zn2SnO4面体微/纳结构。实验证明:垂直于八面体的六边形纳米片相对于纳米颗粒来说,为注入电子的传输提供了直接的途径,降低了电子的传输阻力。其光电转换效率比商用Zn2SnO4颗粒的提高了2倍; (2)通过掺杂的方法对光阳极SnO2进行改性,提高DSSCs的光电转换效率。在第四章中,我们在合成微/纳结构,提高电池短路电流的基础上,在微/纳结构的SnO2中掺杂入金属或非金属元素,提高开路电压:(a)用常见廉价的原料一步制得了由纳米线组装而成的Zn/SnO2微米球。实验结果证明:Zn元素掺杂入Sn02骨架后,使其开路电压由0.41V提高到0.59V。光电转换效率提高3倍;(b)采用溶剂热法合成了直径为10~15nm颗粒堆积的N/SnO2微米球。N/SnO2微米球作为光阳极的短路电流值是目前所报道SnO2为光阳极文献中最高的,达到了10.08mA/cm2。开路电压由0.33V提高到0.40V,光电转换效率提高1倍; (3)基于电子收集方面考虑,在编织结构的柔性基底上设计构筑光阳极的形貌,提高DSSCs的光电转换效率。第五章中,我们在前期FTO玻璃DSSCs的基础上成功的在不锈钢丝网上合成了垂直于基底生长的Zn2SnO4纳米线。垂直于基底的纳米线有利于电解液沿垂直方向向基底扩散;纳米线的一维结构相对于纳米颗粒来说,为注入电子的传输提供了直接的途径,降低了电子的传输阻力。以此为基础,我们组装了lOcm×5cm的光伏电池器件,光电转换效率已经超过了1%。


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