新型太陽電池的制備與光電化學性能研究.pdf

1、本論文較系統(tǒng)的研究了海膽狀Zn/ZnO微納結構光陽極的設計、合成、表征以及相關染料敏化太陽電池(DSSCs)的組裝、測量與分析;研究了燒結法制備該光陽極中，退火時間對于其微觀形貌及結構的影響;基于連續(xù)性方程，建立了與該光陽極幾何結構相吻合的強度調制光電壓譜(IMVS)的動力學模型;細致分析了光陽極的微觀形貌、結構等對于電子傳輸時間、復合壽命、電子收集效率，乃至電池光伏性能的影響機理。較系統(tǒng)的研究了在全空氣環(huán)境中平板結構鈣鈦礦太陽電池的制

2、備、組裝、表征以及光電性能的測量與分析;研究了鈣鈦礦吸收層在空氣中的退火過程對于其微觀形貌、結構、晶體結晶性等產生的影響;基于連續(xù)性方程，建立了與該光陽極幾何結構相吻合的IMVS的動力學模型;細致分析了界面在電子傳輸復合過程中所起的作用及其對于電池光電性能所產生的影響;并由此提出在全空氣環(huán)境中制備鈣鈦礦太陽電池，提高其轉化效率的可能途徑與方法。全文研究內容概括如下:
　　(1)通過一步燒結法合成了海膽狀Zn/ZnO異質結微納結構，

3、并以此作為光陽極組裝了DSSCs。研究表明，與傳統(tǒng)一維ZnO納米線陣列相比，基于新型海膽狀Zn/ZnO光陽極的DSSCs表現出更好的光電性能，這可以歸結為海膽特殊的幾何結構:i）高度的分枝網絡結構與一維結構相比，具有更大的比表面積，因此能夠吸附更多的染料分子，增加光吸收。另外，海膽結構中由于孔隙較大，在不犧牲電子傳輸特性的前提下，能夠為電解液的擴散提供更多通道;ii）海膽結構中的一維ZnO納米線，能夠為電子的傳輸提供“高速公路”，減少電

4、子復合損失;iii）由于金屬的費米能級較低，光子被激發(fā)后， ZnO納米線中的光生電子更易于流向Zn/ZnO界面，進入金屬內核并最終被FTO收集。形成的金屬/半導體Schottky結就相當于一個“電子的收集器”。這些原因正是電池的短路電流、填充因子和轉化效率都有所提高的主要原因。
　　(2)基于海膽狀Zn/ZnO核殼微納結構的光陽極的DSSCs以及連續(xù)性方程，建立了IMVS動力學模型，并通過該理論模型來研究電子在光陽極中的傳輸與復合

5、過程。重點研究了退火時間對于海膽微納結構的微觀形貌、結構的影響，并進一步揭示界面上的缺陷態(tài)、表面態(tài)對于電子壽命、傳輸時間、收集效率產生影響。
　　(3)通過極為方便的低氣壓化學氣相沉積輔助溶液的方法，在全空氣環(huán)境中制備了具有平板結構的鈣鈦礦太陽電池。和完全的溶液法相比（包括一步法和兩步法），氣相沉積法制備的CH3NH3PbI3薄膜均勻致密、表面光滑，針孔較少。對于制備的鈣鈦礦吸收層，在空氣中退火，以促進CH3NH3PbI3晶粒進一

6、步生長，達到有效減少晶界數目，提高晶體結晶性的目的;分別對退火以及未退火的兩組樣品進行了I-V對比測試，研究退火過程對于電池光伏性能的影響。
　　(4)基于連續(xù)性方程，我們建立了與該平板結構相吻合的IMVS動力學模型。與已有報道的典型DSSCs的IMVS模型相比，本文所建立的IMVS動力學模型的理論計算與實驗結果吻合得更好。這是因為:一方面，DSSCs中的Schottky界面將被鈣鈦礦電池中的半導體異質結界面代替，另一方面，邊界條