納米半導(dǎo)體材料對(duì)新型薄膜太陽(yáng)能電池性能影響的研究.pdf

1、第三代新型薄膜太陽(yáng)能電池由于其制作工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、成本低廉，因此是最具有發(fā)展?jié)摿Φ奶?yáng)能電池之一。經(jīng)過(guò)研究者們的長(zhǎng)期研究和探索，其能量轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了10-12％。但是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，此類(lèi)薄膜電池的性能尚待進(jìn)一步提高。因此，如何提高電池的光電性能仍然是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。本論文以開(kāi)發(fā)高效氧化物光陽(yáng)極半導(dǎo)體和無(wú)毒、低成本的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體光敏劑材料及電池為目的，制備了一系列高效TiO2及其氮摻雜改性、多壁碳納米管復(fù)合材料和SnO2、 Zn2S

2、nO4光陽(yáng)極材料，將其應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized solar cells，DSCs)中，取得了良好的光電性能;采用簡(jiǎn)易化學(xué)法合成了無(wú)毒、低成本無(wú)機(jī)半導(dǎo)體SnS，將其應(yīng)用到量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(Quantum-dot sentizied solar cells，QDSCs)和全固態(tài)新型無(wú)機(jī)-有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(Inorganic-organic heterojunction solar cells，HSCs)

3、中，并對(duì)電池進(jìn)行了性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)。
　　首先對(duì)DSCs的TiO2基半導(dǎo)體光陽(yáng)極進(jìn)行高效化研究，對(duì)納米TiO2進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控、性能優(yōu)化和氮摻雜改性，研究這些材料在DSCs中的應(yīng)用、性能和電子傳輸機(jī)理。通過(guò)水熱法和陽(yáng)極氧化法制備了納米晶TiO2、多級(jí)介孔TiO2微球和TiO2納米管陣列，將其應(yīng)用到DSCs光陽(yáng)極中，最終使DSCs的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10％以上。其次，通過(guò)干法和濕法制備了一系列高性能氮摻雜改性的TiO2-xNx納米晶光陽(yáng)

4、極，使DSCs的能量轉(zhuǎn)換效率提高了10％以上。同時(shí)考察了氮摻雜的起始原料、氮源類(lèi)型、氮摻雜含量對(duì)TiO2-xNx光陽(yáng)極性能的影響。結(jié)果表明，起始原料對(duì)氮摻雜含量具有明顯影響;不同氮源和合成方法對(duì)TiO2-xNx的摻氮方式、比表面積、摻氮量和禁帶寬度均有影響。通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制光電流/光電壓譜(IMPS/IMVS)和電化學(xué)阻抗(EIS)等測(cè)試手段，研究了以TiO2-Nx為光陽(yáng)極DSCs的電子傳輸行為。研究結(jié)果表明，氮摻雜DSCs中電子傳輸速度加

5、快、電子壽命減小，染料吸附量增大的協(xié)同作用使其性能明顯提高。最后，利用溶膠-凝膠法合成了一系列多壁碳納米管(MWCNTs)復(fù)合材料，即TiO2/MWCNTs和TiO2-xNx/MWCNTs復(fù)合材料，考察了碳納米管復(fù)合光陽(yáng)極材料對(duì)DSCs性能的影響。結(jié)果表明，MWCNTs復(fù)合材料有助于光生電荷的分離和傳輸，使電子收集效率增大了20％。
　　制備和研究了兩種具有較高電子遷移率的非TiO2半導(dǎo)體材料即SnO2和Zn2SnO4。利用水熱法

6、制備了空心球狀、海膽狀結(jié)構(gòu)SnO2和多級(jí)立方體、交聯(lián)納米片狀Zn2SnO4納米材料。研究結(jié)果顯示，不同形貌SnO2的晶面取向有所差異;具備特殊形貌的SnO2的比表面積遠(yuǎn)高于普通SnO2納米粒子，并且這些特殊形貌對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域的光散射效果明顯。將它們作為光陽(yáng)極材料應(yīng)用到DSCs中，研究了DSCs的光電性能和電子傳輸機(jī)理。研究結(jié)果顯示，以空心球和海膽結(jié)構(gòu)SnO2為光陽(yáng)極DSCs的能量轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了3.93％和3.42％。以多級(jí)立方體和交聯(lián)

7、納米片狀Zn2SnO4為光陽(yáng)極DSCs的能量轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了5.72％和4.43％。利用階躍式光致瞬態(tài)光電流/光電壓譜(SLIM-PCV)對(duì)DSCs進(jìn)行測(cè)試和分析，考察了Zn2SnO4-DSCs與TiO2-DSCs在電子傳輸行為中的差別。研究結(jié)果表明，前者的電子擴(kuò)散系數(shù)較大，對(duì)光強(qiáng)的依賴(lài)性較大。進(jìn)一步對(duì)Zn2SnO4進(jìn)行表面TiO2修飾，使Zn2SnO4-DSCs的短路電流密度(JSC)和開(kāi)路電壓(VOC)均得到明顯提高，而且使DSC

8、s的電子壽命增大、電子擴(kuò)散系數(shù)降低。
　　對(duì)QDSCs進(jìn)行了新材料的開(kāi)發(fā)，發(fā)現(xiàn)了提高QDSCs光電性能的新途徑。利用簡(jiǎn)易化學(xué)法制備了低成本、無(wú)毒、環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富的半導(dǎo)體敏化劑SnS，對(duì)其晶相結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征和分析。將TiC作為新型催化材料引入到QDSCs的對(duì)電極。研究結(jié)果表明，SnS的晶相結(jié)構(gòu)為錫硫礦，光譜吸收范圍為400-550 nm。組裝了一系列基于SnS敏化光陽(yáng)極、兩種催化材料對(duì)電極(Pt，TiC)和三種氧化

9、還原電對(duì)(S2-/Sx2-，I-/I3-，T2/T-)的SnS-QDSCs。利用電化學(xué)阻抗和塔菲爾極化測(cè)試方法考察了兩種對(duì)電極催化劑與不同氧化還原電對(duì)之間的選擇性催化關(guān)系。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，影響催化劑對(duì)I-/I3-和T2/T-氧化還原催化性能的因素分別是氧化還原電對(duì)在電極表面的擴(kuò)散和傳荷電阻。同時(shí)，利用電荷提取技術(shù)考察了不同氧化還原電對(duì)對(duì)SnS的還原再生能力。結(jié)果表明，T2/T-對(duì)SnS具有較好的氧化還原再生能力，TT-QDSCs電子密度比

10、TS-QDSCs電子密度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些研究結(jié)果表明過(guò)渡金屬碳化物對(duì)電極與有機(jī)氧化還原電對(duì)對(duì)提高QDSCs性能的潛力。
　　設(shè)計(jì)和構(gòu)建了全固態(tài)新型無(wú)機(jī)-有機(jī)HSCs，以SnS作為無(wú)機(jī)光敏劑，增強(qiáng)了HSCs器件的紫外-可見(jiàn)光譜吸收;同時(shí)將多級(jí)TiO2微球結(jié)構(gòu)引入到HSCs光陽(yáng)極，解決了聚合物空穴傳輸材料的滲透性和界面接觸問(wèn)題。研究結(jié)果表明，SnS-HSCs的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了2.81％，開(kāi)路電壓高達(dá)0.85 V。采用四種具有不同形