無(wú)機(jī)敏化TiO-,2-基太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料的制備與表征.pdf

1、敏化TiO<,2>納晶太陽(yáng)能電池是目前納米技術(shù)和光電轉(zhuǎn)換材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，在國(guó)外，M．Gra tzel課題組已經(jīng)通過(guò)了染料敏化TiO<,2>納晶太陽(yáng)能電池(DSSC)的中試，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于DSSC的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化均抱持著樂觀的態(tài)度。但是在實(shí)際應(yīng)用中，還存在著染料降解，染料價(jià)格昂貴，電池穩(wěn)定性等問題?；谀壳皣?guó)內(nèi)外敏化納晶太陽(yáng)能電池的發(fā)展?fàn)顩r，本論文創(chuàng)新性地提出了CuInS<,2>納米粒子敏化TiO<,2>納晶電池。結(jié)合已經(jīng)成熟的制

2、備薄膜和納米粉體的技術(shù)，本論文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究： (1)利用成熟的溶膠工藝制備了致密的銳鈦礦TiO<,2>納米薄膜以及M<,x>OM<,y>-TiO<,2>(M=In<'3+>，Al<'3+>，Zn<'2+>，Zr<'4+>，Cu<'2+>)復(fù)合納米薄膜，著重于In<,2>O<,3>-TiO<,2>復(fù)合薄膜的分析和表征；結(jié)果表明：M<,x>O<,y>-TiO<,2>復(fù)合薄膜中，隨著M離子添加量的增大，銳鈦礦TiO<,2>

3、平均晶粒尺寸逐漸減小。In<'3+>主要以In<,2>O<,3>晶體的形式存在，薄膜光學(xué)間接禁帶寬度增大，且導(dǎo)電性能提高、載流子濃度和載流子遷移率均增大。其它幾種離子復(fù)合的TiO<,2>薄膜中，各種離子以無(wú)定形氧化物存在，隨著各離子含量的增加，Al<3+>、Zr<'4+>復(fù)合TiO<,2>薄膜光學(xué)間接禁帶寬度增大，Zn<'2+>復(fù)合TiO<,2>薄膜光學(xué)間接禁帶寬度沒有明顯變化，而Cu<,2+>復(fù)合TiO<,2>薄膜的光學(xué)禁帶寬度則減小

4、。 (2)低級(jí)有機(jī)堿作為模板劑，120℃膠溶得到穩(wěn)定的TiO<,2>藍(lán)白色透明溶膠。該溶膠中存在大量層狀結(jié)構(gòu)的含Ti復(fù)合物。不同水熱處理溫度和時(shí)間條件下，分別制備了具有新穎結(jié)構(gòu)的方塊狀銳鈦礦納米陣列及納米棒。該均一的、單分散的、邊長(zhǎng)～13nm的銳鈦礦TiO<,2>納米方塊陣列取向一致，類似于“準(zhǔn)單晶”結(jié)構(gòu)。制備的納米棒長(zhǎng)徑比為3～4。由于模板劑分子的選擇性吸附，這些納米棒與納米方塊相比，徑向方向略微長(zhǎng)大，而沿著b軸方向拉長(zhǎng)成邊緣

5、規(guī)整的納米棒狀粒子。隨著有機(jī)堿碳鏈的增長(zhǎng)，水熱產(chǎn)物更趨向于形成棒狀納米粒子。 (3)通過(guò)pH=1.5的HNO<,3>酸性條件下膠溶與水熱處理結(jié)合的方法制備了8.8～16.6nm大小的TiO<,2>納米粉體和M<,x>O<,y>．TiO<,2>(M=In<'3+>，Al<'3+>，Zn<'2+>，Zr<'4+>)復(fù)合納米粉體。M<,x>O<,y>-TiO<,2>復(fù)合粉體中銳鈦礦TiO<,2>平均晶粒尺寸均小于相同條件下處理的TiO

6、<,2>納米粉體。M離子的加入，在復(fù)合體系中形成了各自的氧化物晶體，此外，In<'3+>復(fù)合的TiO<,2>體系中生成了常規(guī)條件下1000℃高溫反應(yīng)才有的In<,2>TiO<,5>晶體；Zr<'4+>復(fù)合的TiO<,2>體系中形成了ZrTiO<,4>晶體。 (4)采用簡(jiǎn)單濕化學(xué)法制備CuInS<,2>和CdS光吸收層材料。所制備的100～200nm厚黃銅礦結(jié)構(gòu)CIS薄膜的吸收系數(shù)α均在10<'5>cm<'-1>數(shù)量級(jí)，薄膜的近似

7、光學(xué)禁帶寬度E<,gd>為1.28～1.62eV。前驅(qū)體溶液中Cu/In比例固定不變，薄膜的α隨著S含量的增加而增大，Egd隨著S含量的增加而減?。籗比例保持不變時(shí)，薄膜的α隨著In含量的增加而增大，E<,gd>則隨著In含量的增加而減小。CdS薄膜中以立方晶系的CdS晶相為主，晶粒平均尺寸為24nm。薄膜近似光學(xué)禁帶寬度為2.37～2.38eV。 (5)將上述所制備的材料按照“三明治”結(jié)構(gòu)組裝成電池進(jìn)行開路電壓和短路電流的測(cè)試

8、，并與商業(yè)P25粉體制備的電極性能做比較。測(cè)試結(jié)果表明：天然染料敏化的P25膜電極在101xm厚時(shí)獲得最大光電轉(zhuǎn)換效率。一定厚度的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體CIS敏化P25電池中，CIS吸收層在較薄的情況下獲得一定的光電轉(zhuǎn)換效率。與CdS敏化電池相比，以CIS敏化的TiO<,2>電池開路電壓和短路電流值最小，但填充因子最大。復(fù)合電極材料中，In<'3+>復(fù)合TiO<,2>納米電極主晶相為In<,2>TiO<,5>，導(dǎo)致電池Jsc和Voc均很小；Al<'