基于二氧化钛纳米结构的敏化型太阳能电池的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell, DSSC)工艺简单、成本低廉且性能稳定,因而在新能源领域有着较大的研究和应用价值。由DSSC发展而来的钙钛矿电池(Perovskite Solar Cell, PSC)以其突飞猛进的效率引起了新能源领域广泛的关注,经过几年发展,PSC的效率已经突破20%。二氧化钛(Ti02)是光伏领域中应用最多的无机半导体材料,其形貌与性能对器件效率有着重要的影响。本文以两种光伏器件的工艺和性能优化为导向,以无机氧化物材料的制备和应用为基础,研究了材料与器件性能的关系。合成了尺寸可控的Ti02微球,利用微球的尺寸效应以及其纳米聚集体结构改善DSSC的光学和电学性能,将DSSC的效率由6.81%提高至8.20%；并进一步利用镁离子辅助四氯化钛(TiCl4)处理双层光阳极,优化光阳极的染料吸附量和电子传输性能,使得基于双层光阳极的DSSC效率优化至9.12%。基于金属钛与碱性溶液的化学反应原理,采用水热反应合成网络状纳米多孔结构,研究水热条件和纳米结构形貌的关系,可控的合成了多种三维网络状纳米多孔结构,并将其中的一种纳米结构应用到纤维状染料敏化电池(FDSSC)中,作为钛丝基底和Ti02纳米颗粒多孔层的界面,一方面改善颗粒膜的沉积,另一方面改善FDSSC的电子传输性能,将纤维状器件的效率由2.56%优化至4.64%；进一步的,将水热法与溅射法结合,在FTO导电基底表面合成由一维纳米线交织组成的Ti02网络状纳米多孔结构,采用一步烧结制备介孔PSC的致密多孔层,相对于传统的纳米颗粒多孔结构,三维网络状纳米多孔结构更有利于钙钛矿的沉积和载流子的传输,使得介孔PSC的性能由9.59%提升到12.78%。将常温磁控溅射法制备的高阻Sn02薄膜应用在平面PSC中,克服了传统平面PSC中TiO2致密层所需的高温退火的弊端,并利用Sn02材料高透射性、高迁移率等优势,通过工艺调节将平面PSC的效率优化至13.68%,常温下制备了空穴阻挡层,实现了PSC的低温制备。