染料敏化太阳能电池ZnO阳极的修饰与光电性能的研究

论文摘要

染料敏化太阳能电池（DSSC）的光电转换研究已经成为国际性的热点课题。本研究以ZnO为染料敏化太阳能电池的光阳极，通过掺杂和共敏化两种方法分别对ZnO进行改性与修饰，并以此降低ZnO光阳极染料敏化太阳能电池的成本。本研究从单掺杂、双掺杂和共敏化三个方面对比改性修饰后的ZnO的性质以及染料敏化太阳能电池的光电性能，进而研究掺杂和共敏化对染料敏化太阳能电池光电性能的影响。以ZnO粉体为初始反应物，氨气为掺杂源，在自制的反应容器中制备N掺杂ZnO，研究了N掺杂ZnO的合成条件与ZnO禁带带宽和光电转换效率之间的关系。通过改变氨气压强、煅烧温度和煅烧时间得到不同N掺杂量的ZnO，发现N掺杂ZnO的禁带宽度有不同程度的窄化，并通过改变N掺杂条件实现了对ZnO禁带宽度的可控调节。实验的N掺杂反应条件为：氨气压强0.6～1.2MPa，煅烧温度450～750℃，煅烧时间12～72h。实验结果表明，随着氨气压强、煅烧温度和时间的增加，N掺杂含量逐渐增加，ZnO的禁带宽度逐渐窄化，染料敏化太阳能电池光电转换效率随之增加。采用X射线粉末衍射、紫外-可见吸收光谱、X射线光电子能谱、表面光电压谱和瞬态光谱对N掺杂ZnO的晶体结构、掺杂价态、光学性质以及表面光生电子-空穴的性质进行了分析，研究发现：N掺杂到ZnO晶格中形成六方纤锌矿结构，N掺杂有效地降低了禁带宽度和导带能级，有利于电子-空穴对的生成，增加了载流子的传输，为提高电池性能奠定了基础。采用低温溶液法对ZnO进行了N掺杂，并与高温煅烧掺杂方法进行对比研究。在低温溶液法中N的掺杂源为氨水，研究了溶液pH值对掺杂效果的影响。结果表明，随着溶液pH的增加，N掺杂含量增加，但溶液pH=7时，光电转换效率最高。实验还发现：低温溶液法制备的N掺杂ZnO的光电性能优于高温煅烧法。采用Materials studio的Castep模块对N掺杂ZnO进行理论计算，对模拟的能带结构、态密度和光学性质进行计算分析。认为N掺杂产生的N2p轨道在价带顶和Zn3d轨道杂化，使得价带顶上移并同时引起导带底下降，窄化禁带，为N掺杂减小禁带宽度、降低导带底提供了一定的理论依据。对ZnO进行了Pr和N元素的双掺杂。实验结果表明：Pr-N双掺杂ZnO为六方纤锌矿结构，禁带宽度和导带能级都有较大程度的下降，导致紫外-可见吸收光谱的吸收带边红移至可见光区，光吸收增强的同时也增加了导带内电子的注入效率，Pr-N双掺杂比N掺杂更能有效提高电池光电转换效率，光电转换效率最大达5.2%，较空白ZnO电池提高了100%。以空白ZnO为光阳极，对电池染料的太阳光谱吸收谱带进行补充，采用配合物与N719对光阳极进行共敏化，填补电池在太阳光谱紫外高能光区的吸收空白，拓宽电池对太阳光谱的吸收响应范围。选取吡啶双亚胺类过渡金属配合物、含邻菲罗啉类过渡金属配合物和吡啶二甲酸类稀土金属配合物进行共敏化，单色光光电转换效率（IPCE）揭示共敏化通过提高电池在紫外光区的吸收来提高电池器件的光电转换效率。电化学循环伏安和紫外-可见吸收光谱联用表明配合物敏化剂能有效地进行电子的激发和注入，同时顺利被电解液还原。采用等效电路对交流阻抗进行模拟，分析电池阳极/染料/电解液界面的电子注入和传输性质，结果表明配合物、电池阳极和电解液之间具有很好的能级匹配，在阳极/染料/电解液界面电子能够顺利的注入和传输，共敏化能有效提高电池光电转换效率，具有较大共轭体系的配合物更有利于电池性能的提高。本文通过阳极改性和染料共敏化等途径提高了ZnO染料敏化太阳能电池的光电性能，为其实际应用打下了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 染料敏化太阳能电池结构及工作原理
• 1.2.1 电池的结构组成
• 1.2.2 电池的工作原理
• 1.2.3 电池的评价指标
• 1.3 N 掺杂 ZnO 制备方法
• 1.4 ZnO 光阳极研究进展
• 1.5 共敏化研究进展
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验仪器及材料
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验材料
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 高温煅烧法 N 掺杂 ZnO 的制备
• 2.2.2 低温溶液法 N 掺杂 ZnO 的制备
• 2.2.3 Pr-N 双掺杂 ZnO 的制备
• 2.2.4 吡啶双亚胺类过渡金属配合物的制备
• 2.2.5 含邻菲罗啉类过渡金属配合物的制备
• 2.2.6 吡啶二甲酸类稀土金属配合物的制备
• 2.2.7 太阳能电池的组装及性能测试
• 2.3 表征手段和测试方法
• 2.4 Materials Studio 软件计算模块
• 第3章 N 掺杂 ZnO 的表征及光电性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 纯 ZnO 的形貌和晶相分析
• 3.3 高温煅烧法 N 掺杂 ZnO 性能分析
• 3.3.1 高温 N 掺杂 ZnO 形貌和晶相分析
• 3.3.2 高温 N 掺杂 ZnO 表面成分分析
• 3.3.3 高温 N 掺杂 ZnO 紫外-可见吸收光谱分析
• 3.3.4 高温 N 掺杂 ZnO 的表面光电压分析
• 3.3.5 高温 N 掺杂对 ZnO 光电性能的影响
• 3.4 低温溶液法 N 掺杂 ZnO 性能分析
• 3.4.1 低温 N 掺杂 ZnO 的形貌和晶相分析
• 3.4.2 低温 N 掺杂 ZnO 表面成分分析
• 3.4.3 低温 N 掺杂 ZnO 紫外-可见吸收光谱分析
• 3.4.4 低温 N 掺杂 ZnO 表面光电压分析
• 3.4.5 低温 N 掺杂 ZnO 光电性能
• 3.5 两种 N 掺杂 ZnO 对比分析
• 3.5.1 两种 N 掺杂 ZnO 的光电性能对比分析
• 3.5.2 两种 N 掺杂 ZnO 的表面成分对比分析
• 3.5.3 两种 N 掺杂 ZnO 表面光电压对比分析
• 3.5.4 两种 N 掺杂 ZnO 电化学阻抗对比分析
• 3.6 N 掺杂 ZnO 的理论研究
• 3.6.1 ZnO 的晶体结构和参数设置
• 3.6.2 能带分析
• 3.6.3 态密度分析
• 3.6.4 光学性质分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 Pr-N 双掺杂 ZnO 的表征及光电性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 Pr-N 双掺杂 ZnO 性能分析
• 4.2.1 Pr-N 双掺杂 ZnO 的形貌和晶相分析
• 4.2.2 Pr-N 双掺杂 ZnO 表面成分分析
• 4.2.3 Pr-N 双掺杂 ZnO 紫外-可见光谱分析
• 4.2.4 Pr-N 双掺杂 ZnO 载流子性质分析
• 4.2.5 Pr-N 双掺杂 ZnO 电化学阻抗谱图分析
• 4.2.6 Pr-N 双掺杂 ZnO 电化学性能分析
• 4.3 Pr-N 双掺杂 ZnO 理论计算
• 4.3.1 Pr-N 双掺杂 ZnO 的参数设置
• 4.3.2 Pr-N 双掺杂 ZnO 的能带分析
• 4.3.3 Pr-N 双掺杂 ZnO 态密度分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 配合物对 ZnO 光阳极的共敏化研究
• 5.1 引言
• 5.2 吡啶双亚胺类过渡金属配合物共敏化研究
• 5.2.1 Zn1、Cd1 和 Hg1 晶体结构
• 5.2.2 Zn1、Cd1 和 Hg1 电化学分析
• 5.2.3 Zn1、Cd1 和 Hg1 共敏化机理
• 5.2.4 Zn1、Cd1 和 Hg1 共敏化电池性能
• 5.3 含邻菲罗啉类过渡金属配合物共敏化研究
• 5.3.1 Cd2 和 Cd3 晶体结构
• 5.3.2 Cd2 和 Cd3 光学性质
• 5.3.3 Cd2 和 Cd3 电化学分析
• 5.3.4 Cd2 和 Cd3 共敏化电池性能
• 5.4 吡啶二甲酸类稀土金属配合物共敏化研究
• 5.4.1 Sm1、Tb1 和 Nd1 晶体结构
• 5.4.2 Sm1、Tb1 和 Nd1 光学性质
• 5.4.3 Sm1、Tb1 和 Nd1 电化学分析
• 5.4.4 Sm1、Tb1 和 Nd1 电池性能
• 5.5 本章小结
• 结论
• 创新点
• 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历