納米半導(dǎo)體電極和氧化還原聚合物的固態(tài)太陽(yáng)能電池.pdf

1、能源和環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的兩大條件，而能源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)惡化已經(jīng)成為全球的重大問(wèn)題。因此，必須尋找一種儲(chǔ)量充足的清潔能源。在20世紀(jì)70年代爆發(fā)石油危機(jī)之后，太陽(yáng)能的利用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。太陽(yáng)能作為一種可再生能源，具有其他能源所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)能的利用中，太陽(yáng)能電池可以將太陽(yáng)能直接變?yōu)殡娔?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶方便，因此，太陽(yáng)能電池的研制和開發(fā)日益得到人們的重視。傳統(tǒng)的物理光伏電池，雖然轉(zhuǎn)換效率高，但是成本太高，只能用于航天

2、等領(lǐng)域。有機(jī)光伏電池的轉(zhuǎn)換效率不高。染料敏化太陽(yáng)能電池雖然轉(zhuǎn)換效率較高，但是染料價(jià)格比較貴，而且面臨染料光降解等難題，難于長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。因此，降低電池成本，提高轉(zhuǎn)換效率，增加電池工作的穩(wěn)定性成為太陽(yáng)能電池研究工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 本論文的工作是構(gòu)造基于納米半導(dǎo)體電極和氧化還原聚合物的固態(tài)太陽(yáng)能電池，主要進(jìn)行了以下幾部分工作：(1)利用各種方法在導(dǎo)電玻璃(ITO)上制備納米TiO2、CdS和CdSe電極，并且研究它們的光電化學(xué)性能；

3、(2)利用納米半導(dǎo)體電極和Nafion型氧化還原聚合物構(gòu)造新型固態(tài)光伏電池，并研究固態(tài)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換性能；(3)改進(jìn)固態(tài)光伏電池的各個(gè)環(huán)節(jié)，提高固態(tài)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。具體研究?jī)?nèi)容如下：一、利用不同方法制備納米TiO2、CdS和CdSe電極，并研究它們的光電化學(xué)性能。 (1)利用涂膜法、電沉積法和溶膠-凝膠法制備納米TiO2電極。在0.2mol/LNa2SO4溶液中進(jìn)行光電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米TiO2具有特殊的光電化學(xué)

4、響應(yīng)，其光電流～電位曲線出現(xiàn)光電流峰。我們認(rèn)為，這一特殊的光電化學(xué)性質(zhì)主要是由于納米半導(dǎo)體電極的微粒性結(jié)構(gòu)以及它的光誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)機(jī)理的特殊性所致。 (2)利用電化學(xué)方法制備納米CdS電極，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“I=-1mA，△t=1s，t=10min”條件下陰極脈沖電流制備的CdS/ITO電極的光電化學(xué)響應(yīng)最強(qiáng)。 (3)利用電化學(xué)方法制備納米CdSe電極，光電化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，恒電位-0.85V(Vs.SCE)200S制備的CdS

5、e/ITO電極經(jīng)過(guò)熱處理后的光電化學(xué)響應(yīng)最強(qiáng)。 二、構(gòu)造納米半導(dǎo)體電極和Nafion基氧化還原聚合物的新型固態(tài)光伏電池，并研究固態(tài)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換性能。 利用納米半導(dǎo)體電極TiO2/ITO和CdS/ITO作為光電極，將Nafion型的氧化還原聚合物作為固體空穴傳輸材料，構(gòu)成了ITO/TiO2/Nafion[Ru(bpy)32+,PEG]/Au、ITO/CdS/Nafion[Ru(bpy)32+,PEG]/Au、ITO/

6、CdS/Nafon[Fe(bpy)32+,pEG]/Au和ITO/CdS/Nafion[Ru(phen)32+,pEG]/Au等一系列固態(tài)光伏電池，對(duì)其光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行表征。所用的光電極材料與Nafion型氧化還原聚合物中所用的氧化還原物種在能級(jí)上是匹配的，而且可以達(dá)到較高的開路光電壓。利用TiO2作為光電極，由于受到光吸收的限制，對(duì)可見光的利用率不高。CdS作為光電極可以大大提高光電轉(zhuǎn)換性能。 三、改進(jìn)固態(tài)光伏電池的各個(gè)環(huán)節(jié)，

7、提高固態(tài)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 嘗試改進(jìn)構(gòu)成固態(tài)光伏電池的每個(gè)環(huán)節(jié)，如半導(dǎo)體電極的光吸收、電極界面性能和氧化還原聚合物中氧化還原位的濃度Co，以提高固態(tài)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換性能。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氧化還原位的濃度Co的提高，會(huì)提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換性能，達(dá)到一定濃度后光電轉(zhuǎn)換性能基本穩(wěn)定；在CdS/ITO電極和氧化還原聚合物之間涂一層TiO2薄膜可以提高固態(tài)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換性能。目前， ITO/CdS/TiO2/Nafio