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《南昌航空大学》 2019年
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基于SnO_2染料敏化太阳电池的构建及光电转化效率研究

杨春敏  
【摘要】:染料敏化太阳电池(DSSCs)作为第三代太阳能电池的典型代表,由于其成本低,工艺简单,理论光电转化效率高等优势而被广泛研究。自1991年,Michael Gr?tzel教授在Nature上报道了一种廉价、高效率的二氧化钛(TiO_2)胶体膜电池,并获得7.1%的光电转化效率以来,在不到30年的时间里取得了巨大的突破,如今效率已经超过14%。目前最常用的光阳极材料是TiO_2,但是它的电子迁移率较低,影响光生电子的传输速率,从而增加电子复合反应的几率,影响电池的性能。基于此,本文选择与TiO_2结构类似,电子迁移率更快的二氧化锡(SnO_2),作为光阳极材料,并通过添加大颗粒作为散射层(SL),氧化铝(Al_2O_3)层以及离子掺杂的方法改进纯SnO_2光阳极,获得了较高的光电转化效率,优化了DSSCs的性能。研究内容如下:(1)双层SnO_2 DSSCs效率慢增长现象的研究。采用水热法制备不同尺寸的SnO_2纳米晶,制备四种光阳极(SnO_2,SnO_2/SL,SnO_2/Al_2O_3,SnO_2/SL/Al_2O_3),组装成电池。借助XRD,FESEM,TEM,EDS表征材料的形貌尺寸,并在标准条件下(AM 1.5,100mW/cm~2)测试电池的光伏特性,并利用电化学阻抗谱(EIS)研究电池内部的电荷传输情况。结果表明,有散射层和Al_2O_3层包覆的光阳极,电池的效率有了明显的提升,尤其是这两者都有的光阳极,效率到达了2.53%,比纯SnO_2提高了86%。此外开路电压(V_O _C),填充因子(FF)以及电流密度(J_(SC))都有很大的提升。通过实验发现,添加散射层和Al_2O_3层可以增强光阳极的染料吸附能力,而且添加散射层可以增大电池的化学电容(C_?),而具有Al_2O_3包覆的光阳极提高了电池内部的转移电阻(R_(ct)),从而抑制了电子的复合反应。经过长期的跟踪测试,发现与TiO_2 DSSCs不同,SnO_2 DSSCs的效率出现缓慢增长的现象,在20天的时候,电池的效率达到最高,可达4.57%,此后,具有良好的稳定性。(2)Al掺杂对SnO_2染料敏化太阳电池效率的影响。通过水热法合成了不同比例的Al掺杂SnO_2纳米晶,采用丝网印刷技术制作Al掺杂SnO_2薄膜光阳极。采用XRD,FESEM,TEM,EDS以及UV-Vis表征材料的形貌结构以及光学性能,在标准条件下测试电池效率,与纯SnO_2 DSSCs相比,2%Al掺杂SnO_2电池的开路电压(0.6 V)、电流密度(9.61mA/cm~2)、填充因子(61.08%)都有所提高,电池效率由1.28%提高到3.51%。研究结果表明,Al掺杂能有效调节SnO_2带隙,同时抑制光生载流子的复合,从而有效提高电池效率。(3)基于SnO_2/BiVO_4光阳极染料敏化太阳电池的研究。通过水热法分别合成了SnO_2纳米晶和BiVO_4纳米颗粒,并按照一定的比例混合制备SnO_2/BiVO_4复合材料。借助XRD,FESEM,以及EDS对材料进行表征分析,并制备出相应的DSSCs,在标准条件下测试电池效率。结果表明BiVO_4的加入能有效的提高电池的开路电压和光电转化效率,尤其当添加0.02 g BiVO_4时,所得的电池性能最优,开路电压可以达到0.55 V,电流密度上升到10.14mA/cm~2,效率达到1.91%,与纯SnO_2相比,提高了33%。借助UV-Vis对光阳极解吸附以及EIS测试,发现适量的BiVO_4可以提升SnO_2吸附染料的能力,抑制DSSCs界面的电荷复合反应,使得DSSCs的性能得以提升。
【学位授予单位】:南昌航空大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM914.4

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