基于TiO2薄膜的染料敏化和鈣鈦礦太陽能電池制備及性能研究.pdf

1、太陽能是理想的可再生清潔能源，光伏電池是太陽能的主要利用方式之一。作為新型薄膜太陽能電池的染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池具有制作工藝簡單、成本低廉、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ┠暌咽艿皆絹碓蕉嘌芯空叩年P(guān)注和研究。在染料敏化太陽能電池中，光陽極作為最重要的組件，目前仍存在著因TiO2禁帶寬度較寬而致使對入射光利用率不足，以及光陽極半導(dǎo)體薄膜染料吸附量較低等問題，這些直接影響著染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，

2、圍繞光陽極薄膜的結(jié)構(gòu)和性能，調(diào)整半導(dǎo)體的禁帶寬度，拓寬其可見光波長響應(yīng)范圍，提高薄膜染料吸附能力，以及減少薄膜中電子復(fù)合，是提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率的研究方向之一，具有很重要的應(yīng)用價(jià)值和理論參考價(jià)值。在鈣鈦礦太陽能電池中，鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性和薄膜本身含鉛的特性，直接影響著器件的應(yīng)用以及后期回收可能帶來的污染問題。因此，通過改善制備工藝提高鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性，開發(fā)新型無鉛鈣鈦礦也成為了目前鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點(diǎn)。本論文針對以上染料敏化和

3、鈣鈦礦太陽能電池中的問題，首先制備了不同結(jié)構(gòu)的TiO2復(fù)合材料和光陽極薄膜，并將其分別應(yīng)用于液態(tài)和固態(tài)染料敏化太陽能電池中，探討了不同復(fù)合納米材料和光陽極結(jié)構(gòu)對電池光伏性能的影響以及可能性機(jī)理;其次通過改變鈣鈦礦薄膜的退火工藝，提升鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性;最后以鉍來替代鉛作為中心陽離子，制備了新型鈣鈦礦太陽能電池材料，并對材料性能以及器件的光伏性能進(jìn)行了評價(jià)。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)本研究通過旋涂法制備了新型的多級復(fù)合結(jié)構(gòu)的染料

4、敏化太陽能電池，光陽極由TiO2納米顆粒、銀納米線和包覆有石墨烯的TiO2微球組成。本研究的目的是利用石墨烯與TiO2復(fù)合，降低TiO2的禁帶寬度，提高光陽極在可見光范圍的光吸收，因而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率;此外，石墨烯和銀納米線能夠促進(jìn)電池中電子的傳輸，從而使得電池的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升。通過比較，考察了銀納米線和TiO2復(fù)合微球?qū)﹄姵毓夥阅艿挠绊?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有復(fù)合TiO2微球和銀納米線時(shí)，器件的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)

5、到最高的6.93％，效率幾乎是只有TiO2納米顆粒作為光陽極的電池效率(3.53％)的兩倍。本研究為染料敏化太陽能電池效率提升提供了一種新型的可行途徑。
　　(2)本研究以制備工藝和成本更加低廉的g-C3N4替代石墨烯與TiO2進(jìn)行復(fù)合，制備了g-C3N4/TiO2復(fù)合微球，將其應(yīng)用于液態(tài)染料敏化電池的光陽極中，制備的器件的光電性能達(dá)到了Jsc=15.52mA/cm2，Voc=0.725V，F(xiàn)F=0.648，PCE=7.29％，比

6、對照電池的效率提升了55％。除此之外，用g-C3N4、Ag改性后的TiO2復(fù)合納米顆粒作為光陽極材料，以Spiro-OMeTAD作為空穴傳輸材料，制備了固態(tài)染料敏化太陽能電池。電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了6.22％。對于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的g-C3N4/Ag/TiO2復(fù)合納米顆粒，沉積于TiO2表面的Ag能夠?yàn)間-C3N4和TiO2提供一個(gè)電子傳導(dǎo)的橋梁，而且由于其表面等離子效應(yīng)能夠進(jìn)一步提高納米顆粒在可見光范圍的光吸收能力。Ag也促進(jìn)了光生電子

7、從g-C3N4向TiO2的直接遷移，從而有利于抑制電子-空穴對的復(fù)合。這些結(jié)果表明，用Ag和g-C3N4改性后的固態(tài)染料敏化太陽能的性能有明顯提升，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的g-C3N4/Ag/TiO2復(fù)合材料能夠有效改善電子遷移過程以達(dá)到較高的光電轉(zhuǎn)換效率。這對進(jìn)一步降低電池成本和提高染料敏化電池的性能具有重要意義。
　　(3)目前穩(wěn)定性仍然是鈣鈦礦太陽能電池的一個(gè)明顯缺點(diǎn)，為了提高其穩(wěn)定性，通過在碘氣氛對鈣鈦礦薄膜進(jìn)行退火處理，以期獲得穩(wěn)定性

8、良好的鈣鈦礦薄膜。通過比較不同碘含量的氣氛對鈣鈦礦薄膜的形貌和性能的影響，來確定最佳的工藝條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過含碘氣氛處理后，鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性明顯提升，在空氣中放置10天，薄膜無明顯分解;當(dāng)氣氛中碘含量為100mg時(shí)，退火后的鈣鈦礦薄膜呈現(xiàn)較好結(jié)晶性和覆蓋率，光吸收性能最好。在最佳碘含量的氣氛中退火處理的鈣鈦礦薄膜制備的器件光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到13.18％。
　　(4)針對含鉛鈣鈦礦中鉛的毒性以及可能帶來的環(huán)境污染問題，用Bi