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染料敏化氧化钛纳米晶薄膜光电子传输及人工调制认领

被引量： 2

作者：

金晓艳

学位授予单位：

上海大学

摘要：

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池由于其较高的光电转换效率、低廉的成本、简单的工艺以及环保等一系列优势,吸引了学术界和工业界越来越多的目光。纳米氧化物半导体薄膜光阳极是染料敏化太阳电池（DSCs）的重要组成部分,其不仅影响染料敏化剂的吸附、入射太阳光在膜内的多次吸收,还承担电子在多孔膜内的传输和转移的媒介作用。目前,国际上对染料敏化纳米晶薄膜太阳电池阳极研究,主要集中在TiO2以及新宽禁带半导体材料代替常TiO2。其它半导体材料,如ZnO、SnO2、Nb2O5等也可制备出新型DSCs,然而它们的光电转换效率还远不如常规的纳米TiO2太阳电池。为了改善电子在薄膜内的传输性能、提高DSCs效率,人们在纳米多孔薄膜电极方面进行了多种表面修饰或是阳离子掺杂等研究。碳纳米管（CNTs）因其具有电子的量子限域效应所导致独特的电学性质,以及良好的导电性、化学稳定性和吸光性,使其成为载流子传递的多功能纳米材料,被越来越多的运用于光电转换材料和器件。本文以纳米晶TiO2染料敏化电池为研究对象,研究了光阳极制备工艺对DSCs的光电转换性能的影响。为了提高电子传输和收集效率,抑制电子复合,除化学表面修饰外,采用独特的外加平行电场方式对CNTs/TiO2复合薄膜电极进行处理,改善了电池样品光电转换性能。主要研究内容和成果如下: 1、通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电化学阻抗谱（EIS）等多种测试手段,研究了TiO2薄膜热处理和组装工艺对DSCs性能的影响,重点探讨了光阳极的膜厚对光电转换效率和光电子复合过程的影响,明确了TiCl4修饰和增加大颗粒层对DSCs电池效率提高的重要作用。通过优化热处理工艺和膜厚,获得了高光电转换效率的样品,比传统的纯TiO2薄膜提高了38.7%。 2、通过XRD、SEM、紫外可见吸收光谱等多种测试,明确了掺杂后电极材料的微观特性,并利用平带电势、强度调制的光电流谱（IMPS）和光电压谱（IMVS）等实验详细研究了掺杂对电池光伏性能的影响。结果表明,CNTs并不拓宽TiO2的吸收光谱,也很难改变TiO2的费米能级。但多壁碳纳米管/TiO2复合薄膜制备的DSCs的效率在合适掺杂量（如0.05%）时得到提高,之后随掺杂量的增加转换效率逐步下降,这是CNTs掺杂增强了电子传输、减少电子复合几率的结果。 3、通过I-V传输测试研究了外加平行电场处理对CNTs掺杂样品的光电性能产生的影响。结果表明,DSCs样品短路电流和影响因子显著增大,光电效率从4.28%提高到5.15%,增幅达20%。 4、通过SEM、IMPS/IMVS以及电化学阻抗谱等多种方式,研究了外加平行电场处理效应的物理机制。结果表明,外加电场导致复合薄膜中MWCNT沿电场方向有序度增强,使得电子传输时间变短,电子寿命延长。同时染料|电解液|TiO2-MWCNT界面阻抗变大,电荷复合几率减小,暗电流减小,相应的复合几率变小。

摘要译文

关键词：

染料敏化太阳电池; TiO2电极; 碳纳米管; 取向有序

学位年度：

2011

学位类型：

硕士

学科专业：

凝聚态物理

导师：

蔡传兵

中图分类号：

TM914.42;TM914.4[太阳能电池⑨]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储]