以納米管陣列為光陽極材料的薄膜太陽能電池的光電性能研究.pdf

1、TiO2納米管陣列涂層由于具有環(huán)境友好，價格低廉，較大的比表面積和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)一直備受關(guān)注，經(jīng)常作為染料敏化太陽能電池的光陽極材料而應(yīng)用到能源領(lǐng)域。但由于受到TiO2的寬能帶限制，以及光生電子在納米管與鈦基底間的界面處易被空穴俘獲，因此以納米管涂層為光陽極的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率一直很低。光陽極的組成和結(jié)構(gòu)將直接影響染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性，本文通過分析兩種不同材料納米管陣列涂層的光電性質(zhì)，試圖探尋納米管陣列涂層

2、作為染料敏化太陽能電池光陽極材料的最佳組成和結(jié)構(gòu)，并通過優(yōu)化納米管與金屬基底間的界面結(jié)構(gòu)來提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率。主要內(nèi)容如下:
　　(1)用陽極氧化法在鈦合金表面制備了TiO2納米管陣列(TiO2 nanotubearray，TNT)涂層(TNT/Ti)，以該涂層為光陽極材料封裝了太陽能電池，并測試了其光電性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換效率與管徑和管長呈正相關(guān)，對于這一現(xiàn)象的合理解釋是較大的管長和管徑能夠吸附更多的染料，從而增加光生電子的

3、數(shù)量。此外，在鈦基底表面生長的納米管涂層很難實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率，原因在于納米管與鈦基底間的肖特基接觸面俘獲光生電子，并影響電子的傳輸。基于TNT/Ti光陽極較低的光電轉(zhuǎn)換效率，本研究設(shè)想通過優(yōu)化納米管陣列涂層與TiO2阻擋層間的構(gòu)造關(guān)系來增強(qiáng)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，還考察了導(dǎo)電基底的不同對光電轉(zhuǎn)換效率的影響。在導(dǎo)電玻璃(FTO)表面濺射一層鈦金屬，通過陽極氧化法在FTO表面形成TNT涂層。光電分析表明，無論對于TNT/Ti光

4、陽極材料或是TNT/FTO光陽極材料，隨著納米管管長的增加，涂層吸附的染料分子數(shù)量增加，開路電壓增大，但同時阻擋層的厚度也在增加，光生電子在傳輸過程中被空穴俘獲的機(jī)率增大。當(dāng)納米管的管長為5μm時，TNT/Ti光陽極材料的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了3.8％。
　　(2)采用陽極氧化法在純鐵表面制備了Fe2O3納米管陣列涂層，其管徑尺寸為40-60 nm。制備過程中的參數(shù)能夠明顯調(diào)控納米管的形貌。當(dāng)氧化時間超過30min時，納米管的形貌會消

5、失;當(dāng)F-濃度超過9wt％時，納米管涂層會被溶解;在10-40 V電壓范圍內(nèi)，納米管陣列的管徑與電壓呈正相關(guān)關(guān)系?？諝鈿夥障聦e2O3納米管陣列進(jìn)行退火處理后可得到α-Fe2O3（赤鐵礦）納米管陣列涂層，涂層在500℃下的溫度范圍內(nèi)具有熱穩(wěn)定性。
　　(3)以α-Fe2O3（赤鐵礦）納米管陣列涂層為前驅(qū)體涂層，進(jìn)行了硫化實(shí)驗。通過分析比較不同硫化實(shí)驗條件下納米管的物化性能，獲得了水熱硫化法制備FeS2納米管陣列涂層的最佳硫化工藝

6、。其工藝條件為:硫代硫酸鈉與硫粉為硫源，硫化溫度為200℃，硫化時間為5h。將FeS2納米管陣列涂層作為光陽極材料應(yīng)用于太陽能電池，研究發(fā)現(xiàn)，電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了1.48％，雖然不及TNT/Ti理想，但是由于該結(jié)構(gòu)涂層不需要浸泡染料來產(chǎn)生光生電子，因此具有取代TiO2納米管陣列涂層的潛在優(yōu)勢。此外，研究發(fā)現(xiàn)，適量的S-進(jìn)入Fe2O3的晶格后將引入電子或空穴的陷阱，從而降低了電子-空穴對的復(fù)合機(jī)率，延長光生電子的壽命，基于這樣納米管狀