新型太陽(yáng)電池的制備與光電化學(xué)性能研究.pdf

1、本論文較系統(tǒng)的研究了海膽狀Zn/ZnO微納結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極的設(shè)計(jì)、合成、表征以及相關(guān)染料敏化太陽(yáng)電池(DSSCs)的組裝、測(cè)量與分析;研究了燒結(jié)法制備該光陽(yáng)極中，退火時(shí)間對(duì)于其微觀形貌及結(jié)構(gòu)的影響;基于連續(xù)性方程，建立了與該光陽(yáng)極幾何結(jié)構(gòu)相吻合的強(qiáng)度調(diào)制光電壓譜(IMVS)的動(dòng)力學(xué)模型;細(xì)致分析了光陽(yáng)極的微觀形貌、結(jié)構(gòu)等對(duì)于電子傳輸時(shí)間、復(fù)合壽命、電子收集效率，乃至電池光伏性能的影響機(jī)理。較系統(tǒng)的研究了在全空氣環(huán)境中平板結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)電池的制

2、備、組裝、表征以及光電性能的測(cè)量與分析;研究了鈣鈦礦吸收層在空氣中的退火過(guò)程對(duì)于其微觀形貌、結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)晶性等產(chǎn)生的影響;基于連續(xù)性方程，建立了與該光陽(yáng)極幾何結(jié)構(gòu)相吻合的IMVS的動(dòng)力學(xué)模型;細(xì)致分析了界面在電子傳輸復(fù)合過(guò)程中所起的作用及其對(duì)于電池光電性能所產(chǎn)生的影響;并由此提出在全空氣環(huán)境中制備鈣鈦礦太陽(yáng)電池，提高其轉(zhuǎn)化效率的可能途徑與方法。全文研究?jī)?nèi)容概括如下:
　　(1)通過(guò)一步燒結(jié)法合成了海膽狀Zn/ZnO異質(zhì)結(jié)微納結(jié)構(gòu)，

3、并以此作為光陽(yáng)極組裝了DSSCs。研究表明，與傳統(tǒng)一維ZnO納米線陣列相比，基于新型海膽狀Zn/ZnO光陽(yáng)極的DSSCs表現(xiàn)出更好的光電性能，這可以歸結(jié)為海膽特殊的幾何結(jié)構(gòu):i）高度的分枝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與一維結(jié)構(gòu)相比，具有更大的比表面積，因此能夠吸附更多的染料分子，增加光吸收。另外，海膽結(jié)構(gòu)中由于孔隙較大，在不犧牲電子傳輸特性的前提下，能夠?yàn)殡娊庖旱臄U(kuò)散提供更多通道;ii）海膽結(jié)構(gòu)中的一維ZnO納米線，能夠?yàn)殡娮拥膫鬏斕峁案咚俟贰保瑴p少電

4、子復(fù)合損失;iii）由于金屬的費(fèi)米能級(jí)較低，光子被激發(fā)后， ZnO納米線中的光生電子更易于流向Zn/ZnO界面，進(jìn)入金屬內(nèi)核并最終被FTO收集。形成的金屬/半導(dǎo)體Schottky結(jié)就相當(dāng)于一個(gè)“電子的收集器”。這些原因正是電池的短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)化效率都有所提高的主要原因。
　　(2)基于海膽狀Zn/ZnO核殼微納結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極的DSSCs以及連續(xù)性方程，建立了IMVS動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)該理論模型來(lái)研究電子在光陽(yáng)極中的傳輸與復(fù)合

5、過(guò)程。重點(diǎn)研究了退火時(shí)間對(duì)于海膽微納結(jié)構(gòu)的微觀形貌、結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)一步揭示界面上的缺陷態(tài)、表面態(tài)對(duì)于電子壽命、傳輸時(shí)間、收集效率產(chǎn)生影響。
　　(3)通過(guò)極為方便的低氣壓化學(xué)氣相沉積輔助溶液的方法，在全空氣環(huán)境中制備了具有平板結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)電池。和完全的溶液法相比（包括一步法和兩步法），氣相沉積法制備的CH3NH3PbI3薄膜均勻致密、表面光滑，針孔較少。對(duì)于制備的鈣鈦礦吸收層，在空氣中退火，以促進(jìn)CH3NH3PbI3晶粒進(jìn)一

6、步生長(zhǎng)，達(dá)到有效減少晶界數(shù)目，提高晶體結(jié)晶性的目的;分別對(duì)退火以及未退火的兩組樣品進(jìn)行了I-V對(duì)比測(cè)試，研究退火過(guò)程對(duì)于電池光伏性能的影響。
　　(4)基于連續(xù)性方程，我們建立了與該平板結(jié)構(gòu)相吻合的IMVS動(dòng)力學(xué)模型。與已有報(bào)道的典型DSSCs的IMVS模型相比，本文所建立的IMVS動(dòng)力學(xué)模型的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得更好。這是因?yàn)?一方面，DSSCs中的Schottky界面將被鈣鈦礦電池中的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面代替，另一方面，邊界條