納米半導體材料對新型薄膜太陽能電池性能影響的研究.pdf

1、第三代新型薄膜太陽能電池由于其制作工藝簡單、環(huán)境友好、成本低廉，因此是最具有發(fā)展?jié)摿Φ奶柲茈姵刂?。經過研究者們的長期研究和探索，其能量轉換效率已達到了10-12％。但是為了實現產業(yè)化，此類薄膜電池的性能尚待進一步提高。因此，如何提高電池的光電性能仍然是研究的熱點和重點。本論文以開發(fā)高效氧化物光陽極半導體和無毒、低成本的無機半導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、多壁碳納米管復合材料和SnO2、 Zn2S

2、nO4光陽極材料，將其應用于染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cells，DSCs)中，取得了良好的光電性能;采用簡易化學法合成了無毒、低成本無機半導體SnS，將其應用到量子點敏化太陽能電池(Quantum-dot sentizied solar cells，QDSCs)和全固態(tài)新型無機-有機異質結太陽能電池(Inorganic-organic heterojunction solar cells，HSCs)

3、中，并對電池進行了性能優(yōu)化和結構改進。
　　首先對DSCs的TiO2基半導體光陽極進行高效化研究，對納米TiO2進行結構調控、性能優(yōu)化和氮摻雜改性，研究這些材料在DSCs中的應用、性能和電子傳輸機理。通過水熱法和陽極氧化法制備了納米晶TiO2、多級介孔TiO2微球和TiO2納米管陣列，將其應用到DSCs光陽極中，最終使DSCs的能量轉換效率達到10％以上。其次，通過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

4、極，使DSCs的能量轉換效率提高了10％以上。同時考察了氮摻雜的起始原料、氮源類型、氮摻雜含量對TiO2-xNx光陽極性能的影響。結果表明，起始原料對氮摻雜含量具有明顯影響;不同氮源和合成方法對TiO2-xNx的摻氮方式、比表面積、摻氮量和禁帶寬度均有影響。通過強度調制光電流/光電壓譜(IMPS/IMVS)和電化學阻抗(EIS)等測試手段，研究了以TiO2-Nx為光陽極DSCs的電子傳輸行為。研究結果表明，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)復合材料，即TiO2/MWCNTs和TiO2-xNx/MWCNTs復合材料，考察了碳納米管復合光陽極材料對DSCs性能的影響。結果表明，MWCNTs復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半導體材料即SnO2和Zn2SnO4。利用水熱法

6、制備了空心球狀、海膽狀結構SnO2和多級立方體、交聯納米片狀Zn2SnO4納米材料。研究結果顯示，不同形貌SnO2的晶面取向有所差異;具備特殊形貌的SnO2的比表面積遠高于普通SnO2納米粒子，并且這些特殊形貌對長波長區(qū)域的光散射效果明顯。將它們作為光陽極材料應用到DSCs中，研究了DSCs的光電性能和電子傳輸機理。研究結果顯示，以空心球和海膽結構SnO2為光陽極DSCs的能量轉換效率分別達到了3.93％和3.42％。以多級立方體和交聯

7、納米片狀Zn2SnO4為光陽極DSCs的能量轉換效率分別達到了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DSCs進行測試和分析，考察了Zn2SnO4-DSCs與TiO2-DSCs在電子傳輸行為中的差別。研究結果表明，前者的電子擴散系數較大，對光強的依賴性較大。進一步對Zn2SnO4進行表面TiO2修飾，使Zn2SnO4-DSCs的短路電流密度(JSC)和開路電壓(VOC)均得到明顯提高，而且使DSC

8、s的電子壽命增大、電子擴散系數降低。
　　對QDSCs進行了新材料的開發(fā)，發(fā)現了提高QDSCs光電性能的新途徑。利用簡易化學法制備了低成本、無毒、環(huán)境友好、儲量豐富的半導體敏化劑SnS，對其晶相結構和物理化學性質進行了表征和分析。將TiC作為新型催化材料引入到QDSCs的對電極。研究結果表明，SnS的晶相結構為錫硫礦，光譜吸收范圍為400-550 nm。組裝了一系列基于SnS敏化光陽極、兩種催化材料對電極(Pt，TiC)和三種氧化

9、還原電對(S2-/Sx2-，I-/I3-，T2/T-)的SnS-QDSCs。利用電化學阻抗和塔菲爾極化測試方法考察了兩種對電極催化劑與不同氧化還原電對之間的選擇性催化關系。研究結果發(fā)現，影響催化劑對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在電極表面的擴散和傳荷電阻。同時，利用電荷提取技術考察了不同氧化還原電對對SnS的還原再生能力。結果表明，T2/T-對SnS具有較好的氧化還原再生能力，TT-QDSCs電子密度比

10、TS-QDSCs電子密度高一個數量級。這些研究結果表明過渡金屬碳化物對電極與有機氧化還原電對對提高QDSCs性能的潛力。
　　設計和構建了全固態(tài)新型無機-有機HSCs，以SnS作為無機光敏劑，增強了HSCs器件的紫外-可見光譜吸收;同時將多級TiO2微球結構引入到HSCs光陽極，解決了聚合物空穴傳輸材料的滲透性和界面接觸問題。研究結果表明，SnS-HSCs的能量轉換效率達到了2.81％，開路電壓高達0.85 V。采用四種具有不同形