新型太陽(yáng)能電池光陰極及納米吸收層的基礎(chǔ)研究.pdf

1、太陽(yáng)能電池由于具有清潔、廉價(jià)、高效等特點(diǎn),作為一種可持續(xù)發(fā)展的能源替代方式,于近年來(lái)得到快速的發(fā)展。但目前還存在成本高,轉(zhuǎn)換效率不高等缺點(diǎn)而沒有被廣泛應(yīng)用。因此,降低太陽(yáng)能電池的制備成本和提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率成為太陽(yáng)能電池研究的關(guān)鍵,高效新型低成本太陽(yáng)能電池包括染料敏化太陽(yáng)能電池和納米晶太陽(yáng)能電池成為人們的研究熱點(diǎn)。在染料敏化太陽(yáng)能電池中,多用貴金屬鉑作為光陰極,但其昂貴的價(jià)格限制了它的商業(yè)化應(yīng)用。在薄膜太陽(yáng)能電池中,CuInS2具

2、有吸收系數(shù)大,禁帶寬度與太陽(yáng)光譜匹配,直接帶隙半導(dǎo)體等優(yōu)點(diǎn),但使用高真空鍍膜設(shè)備以及CuInS2材料的成分和光電特性對(duì)工藝過(guò)程的敏感限制了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。本文在總結(jié)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,開展了染料敏化太陽(yáng)能電池中光陰極的基礎(chǔ)研究,并采用一步化學(xué)法可控制備了不同大小的CuInS2納米晶,通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)液滴涂布法制備了薄膜太陽(yáng)能電池,并測(cè)試了其光學(xué)及電化學(xué)性能,主要內(nèi)容如下：
　　 ⑴研究了NiPt薄膜作為染料敏化太陽(yáng)能電池光陰

3、極的行為。采用化學(xué)鍍法在導(dǎo)電FTO玻璃基底上首先沉積一層Ni膜,后通過(guò)氧化還原法制備NiPt薄膜,改變不同的反應(yīng)時(shí)間制備得到不同載鉑量的Ni1-xPtx(x=0,0.02,0.04,0.06,0.08)膜。研究顯示Ni0.94Pt0.06膜的載鉑量為5.13μg/cm2,作為光陰極表現(xiàn)出對(duì)I3-的高催化性能,高光反射和高的電荷傳輸性能,提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。使用Ni0.94Pt0.06膜作光陰極制備的染料敏化太陽(yáng)能電池獲得了8.21

4、％的光電轉(zhuǎn)化效率,高于傳統(tǒng)的使用熱分解得到的Pt光陰極的電池效率(7.73％),并且此類電池的穩(wěn)定性較好。結(jié)果表明NiPt膜對(duì)于低價(jià)高效大面積制備染料敏化太陽(yáng)能電池的光陰極探索具有一定的意義。
　　 ⑵研究了高比表面積微孔碳作為染料敏化太陽(yáng)能電池光陰極的行為。使用玉米桿制備了廉價(jià)的高比表面積微孔碳,將其取代鉑光陰極,測(cè)試了其電化學(xué)性能。結(jié)果表明以微孔碳為活性材料,Vulcan XC-72做導(dǎo)電劑,TiO2為粘結(jié)劑的光陰極具有高的

5、催化性能。以微孔碳為活性材料的光陰極的染料敏化太陽(yáng)能電池在AM1.5(100 mW cm-2)的光照下具有7.36％的轉(zhuǎn)換效率,與使用鉑作光陰極的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)。其開路電壓達(dá)到了798 mV,比使用鉑作光陰極的太陽(yáng)能電池的電壓高約60 mV。使用高比表面積碳作為光陰極,避免了貴金屬Pt的使用,對(duì)于降低染料敏化太陽(yáng)能電池的制作成本有著重要的實(shí)際意義。
　　 ⑶研究了CuInS2納米晶的制備及其光電應(yīng)用。使用油酸銅,油酸銦

6、和硫粉作為反應(yīng)物在油酸和油胺的混合溶劑中采用一步反應(yīng)化學(xué)法可控制備了單分散的2-10 nm CuInS2納米晶,討論了油胺作為還原劑和包覆劑對(duì)于產(chǎn)物大小的影響。產(chǎn)物的紫外可見吸收和熒光光譜表明所制備的產(chǎn)物具有量子尺寸效應(yīng)。同時(shí),還采用相同的方法合成了CuIn(SxSe1-x)2(x=0,0.3,0.5,0.7)和AgInS2納米晶,測(cè)試表明所得化合物都是純相,顆粒大小約為10 nm。利用化學(xué)液滴涂布法制備了新型納米晶太陽(yáng)能電池(Au/C

7、uInS2納米晶/TiO2納米棒陣列/FTO),通過(guò)優(yōu)化條件,所制備的薄膜太陽(yáng)能電池在AM1.5(100 mW cm-2)光強(qiáng)下達(dá)到了0.21％的光電轉(zhuǎn)換效率,表明這類納米晶材料具有低價(jià)薄膜太陽(yáng)能電池的潛在優(yōu)勢(shì)。
　　 ⑷探索了新型結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池。采用簡(jiǎn)單的溶劑熱法直接在導(dǎo)電FTO玻璃和絲網(wǎng)印刷的TiO2膜上沉積一層CuInS2膜(CuInS2/FTO和CuInS2/ZiO2/FZO),研究結(jié)果表明FTO玻璃上的CuInS2由

8、微米球和納米片組成,膜的厚度可以通過(guò)反應(yīng)物的濃度控制在1-8μm之間,并且膜在400-850 nm間有很強(qiáng)的吸收,帶隙隨著Cu/In的比(1.2-0.9)調(diào)節(jié)為1.45-1.61 eV。TiO2基底上的CuInS2膜是由納米片組成。此外,還評(píng)價(jià)了這兩種膜的光電性能,經(jīng)過(guò)熱處理后,所組裝的電池Ag/CdS/CuInS2/FTO,Au/CuInS2/TiO2/FTO在AM1.5(100 mWcm-2)的光強(qiáng)下分別達(dá)到了0.33％和0.29％