染料敏化太陽能電池ZnO陽極的修飾與光電性能的研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池(DSSC)的光電轉(zhuǎn)換研究已經(jīng)成為國際性的熱點課題。本研究以ZnO為染料敏化太陽能電池的光陽極,通過摻雜和共敏化兩種方法分別對ZnO進行改性與修飾,并以此降低ZnO光陽極染料敏化太陽能電池的成本。本研究從單摻雜、雙摻雜和共敏化三個方面對比改性修飾后的ZnO的性質(zhì)以及染料敏化太陽能電池的光電性能,進而研究摻雜和共敏化對染料敏化太陽能電池光電性能的影響。
　　以ZnO粉體為初始反應(yīng)物,氨氣為摻雜源,在自制的反應(yīng)容器中

2、制備N摻雜ZnO,研究了N摻雜ZnO的合成條件與ZnO禁帶帶寬和光電轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系。通過改變氨氣壓強、煅燒溫度和煅燒時間得到不同N摻雜量的ZnO,發(fā)現(xiàn)N摻雜ZnO的禁帶寬度有不同程度的窄化,并通過改變N摻雜條件實現(xiàn)了對ZnO禁帶寬度的可控調(diào)節(jié)。實驗的N摻雜反應(yīng)條件為:氨氣壓強0.6~1.2MPa,煅燒溫度450~750℃,煅燒時間12~72h。實驗結(jié)果表明,隨著氨氣壓強、煅燒溫度和時間的增加,N摻雜含量逐漸增加,ZnO的禁帶寬度逐漸

3、窄化,染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率隨之增加。采用X射線粉末衍射、紫外-可見吸收光譜、X射線光電子能譜、表面光電壓譜和瞬態(tài)光譜對N摻雜ZnO的晶體結(jié)構(gòu)、摻雜價態(tài)、光學性質(zhì)以及表面光生電子-空穴的性質(zhì)進行了分析,研究發(fā)現(xiàn):N摻雜到ZnO晶格中形成六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),N摻雜有效地降低了禁帶寬度和導帶能級,有利于電子-空穴對的生成,增加了載流子的傳輸,為提高電池性能奠定了基礎(chǔ)。
　　采用低溫溶液法對ZnO進行了N摻雜,并與高溫煅燒摻雜方法進

4、行對比研究。在低溫溶液法中N的摻雜源為氨水,研究了溶液pH值對摻雜效果的影響。結(jié)果表明,隨著溶液pH的增加,N摻雜含量增加,但溶液pH=7時,光電轉(zhuǎn)換效率最高。實驗還發(fā)現(xiàn):低溫溶液法制備的N摻雜ZnO的光電性能優(yōu)于高溫煅燒法。
　　采用Materialsstudio的Castep模塊對N摻雜ZnO進行理論計算,對模擬的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光學性質(zhì)進行計算分析。認為N摻雜產(chǎn)生的N2p軌道在價帶頂和Zn3d軌道雜化,使得價帶頂上移并同時

5、引起導帶底下降,窄化禁帶,為N摻雜減小禁帶寬度、降低導帶底提供了一定的理論依據(jù)。
　　對ZnO進行了Pr和N元素的雙摻雜。實驗結(jié)果表明:Pr-N雙摻雜ZnO為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),禁帶寬度和導帶能級都有較大程度的下降,導致紫外-可見吸收光譜的吸收帶邊紅移至可見光區(qū),光吸收增強的同時也增加了導帶內(nèi)電子的注入效率,Pr-N雙摻雜比N摻雜更能有效提高電池光電轉(zhuǎn)換效率,光電轉(zhuǎn)換效率最大達5.2％,較空白ZnO電池提高了100%。
　　以空

6、白ZnO為光陽極,對電池染料的太陽光譜吸收譜帶進行補充,采用配合物與N719對光陽極進行共敏化,填補電池在太陽光譜紫外高能光區(qū)的吸收空白,拓寬電池對太陽光譜的吸收響應(yīng)范圍。選取吡啶雙亞胺類過渡金屬配合物、含鄰菲羅啉類過渡金屬配合物和吡啶二甲酸類稀土金屬配合物進行共敏化,單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)揭示共敏化通過提高電池在紫外光區(qū)的吸收來提高電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率。電化學循環(huán)伏安和紫外-可見吸收光譜聯(lián)用表明配合物敏化劑能有效地進行電子的