無機(jī)敏化TiO-,2-基太陽能電池光陽極材料的制備與表征.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、敏化TiO<,2>納晶太陽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,在國外,M.Gra tzel課題組已經(jīng)通過了染料敏化TiO<,2>納晶太陽能電池(DSSC)的中試,國內(nèi)外研究者對于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,染料價格昂貴,電池穩(wěn)定性等問題?;谀壳皣鴥?nèi)外敏化納晶太陽能電池的發(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~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,徑向方向略微長大,而沿著b軸方向拉長成邊緣

5、規(guī)整的納米棒狀粒子。隨著有機(jī)堿碳鏈的增長,水熱產(chǎn)物更趨向于形成棒狀納米粒子。 (3)通過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,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,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試

8、,并與商業(yè)P25粉體制備的電極性能做比較。測試結(jié)果表明:天然染料敏化的P25膜電極在101xm厚時獲得最大光電轉(zhuǎn)換效率。一定厚度的無機(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<'

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