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(guó)際性的熱點(diǎn)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(duì)ZnO進(jìn)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(gè)方面對(duì)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(jìn)而研究摻雜和共敏化對(duì)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(qiáng)、煅燒溫度和煅燒時(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)ZnO禁帶寬度的可控調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)的N摻雜反應(yīng)條件為:氨氣壓強(qiáng)0.6~1.2MPa,煅燒溫度450~750℃,煅燒時(shí)間12~72h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著氨氣壓強(qiáng)、煅燒溫度和時(shí)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(duì)N摻雜ZnO的晶體結(jié)構(gòu)、摻雜價(jià)態(tài)、光學(xué)性質(zhì)以及表面光生電子-空穴的性質(zhì)進(jìn)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(dǎo)帶能級(jí),有利于電子-空穴對(duì)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(duì)ZnO進(jìn)行了N摻雜,并與高溫煅燒摻雜方法進(jìn)

4、行對(duì)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(duì)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(shí),光電轉(zhuǎn)換效率最高。實(shí)驗(yàn)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(duì)N摻雜ZnO進(jìn)行理論計(jì)算,對(duì)模擬的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算分析。認(rèn)為N摻雜產(chǎn)生的N2p軌道在價(jià)帶頂和Zn3d軌道雜化,使得價(jià)帶頂上移并同時(shí)

5、引起導(dǎo)帶底下降,窄化禁帶,為N摻雜減小禁帶寬度、降低導(dǎo)帶底提供了一定的理論依據(jù)。
　　對(duì)ZnO進(jìn)行了Pr和N元素的雙摻雜。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)帶能級(jí)都有較大程度的下降,導(dǎo)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(qiáng)的同時(shí)也增加了導(dǎo)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(dá)5.2％,較空白ZnO電池提高了100%。
　　以空

6、白ZnO為光陽極,對(duì)電池染料的太陽光譜吸收譜帶進(jìn)行補(bǔ)充,采用配合物與N719對(duì)光陽極進(jìn)行共敏化,填補(bǔ)電池在太陽光譜紫外高能光區(qū)的吸收空白,拓寬電池對(duì)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(jìn)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(xué)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(jìn)行電子的