染料敏化太陽能電池光陽極的優(yōu)化.pdf

1、能源問題是人類面臨的共同問題，由于化石燃料的日漸枯竭和大量化石燃料的使用造成的環(huán)境污染，已經(jīng)嚴重威脅到人類的生存和發(fā)展。太陽能的大規(guī)模應用是解決能源問題和環(huán)境問題的關鍵突破口。染料敏化太陽能電池由于具有安全無毒，轉(zhuǎn)化效率較高，成本低廉的優(yōu)點，被認為是實現(xiàn)太陽能大規(guī)模利用的主要候選者。光陽極的組成和結構直接影響染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率和長期穩(wěn)定性，是電池的最重要的組成部分。各種成分和結構的納米材料在光陽極中的應用表現(xiàn)，是近年來世界范圍

2、的研究熱點。
　　 本文通過采用不同的結構、種類的納米材料在光陽極中的性能表現(xiàn)，試圖探尋適合于染料敏化太陽能的最佳材料和結構。采用測試電池的輸出特性曲線和暗電流曲線，探尋影響電池轉(zhuǎn)化效率的因素并分析了影響機理。主要內(nèi)容如下：
　　 ①采用晶體尺寸為20納米左右的二氧化鈦、氧化鋅和氧化錫制備了電池，發(fā)現(xiàn)二氧化鈦電池的轉(zhuǎn)化效率最高，氧化鋅其次，氧化錫電池的轉(zhuǎn)化效率最低。氧化錫由于導帶能級較低，電子在從染料到氧化錫的導帶轉(zhuǎn)移過

3、程中自由能損失較大，電池的開路電壓較低，純氧化錫不是很好的光陽極材料。
　　 ②用二氧化鈦納米管陣列、二氧化鈦納米線陣列、氧化鋅納米線陣列、氧化鋅納米線陣列和二氧化鈦納米顆粒的混合結構制備了電池并測試了電池的性能。結果發(fā)現(xiàn)直接生長在鈦金屬片上的二氧化鈦納米管很難實現(xiàn)高的轉(zhuǎn)化效率，原因在于對電極和深色的電解液會對入射光造成強吸收。二氧化鈦納米線陣列表面積不夠，納米線本身比較粗，而且在長長的同時也會長粗，導致陣列長度達到5微米左右時

4、在陣列的底部就會形成致密層，造成染料的吸附率不夠，很難實現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的大幅提升。氧化鋅納米線陣列的情況和二氧化鈦相差不大，除了長度可以大得多外，比表面積并沒有很大的提升。對于混合結構而言，納米線太粗，納米線之間的間隙不夠?qū)?，納米顆粒很難在納米線陣列中實現(xiàn)有效填充，是造成混合結構電池轉(zhuǎn)化效率不夠高的主要原因。
　　 ③通過仔細分析氧化鋅納米線陣列電池的輸出特性曲線和暗電流特性曲線，結合電池在無光照條件下電池的開路電壓隨時間的衰減曲線

5、和電極上電子的壽命，得到了基于氧化鋅納米線陣列電池很低的填充因子不是由于電子的快速復合造成的，而是由于隨著注入電子的積累，電子的注入效率會隨電池電壓的升高而降低，并由此造成注入電流的迅速減小造成的結論。通過在氧化鋅納米線的表面包覆一層二氧化鈦，可以改變?nèi)玖虾桶雽w的電子耦合方式，極大地改善電池的填充因子，提高電池的轉(zhuǎn)化效率。這是本文的主要創(chuàng)新點之一。
　　 ④采用溶劑熱法合成了亞微米氧化鋅多孔團聚體及直徑為20納米左右的氧化鋅納

6、米晶并用于制作電池。通過對氧化鋅多孔團聚體電池和與之相似的晶體大小的單分散氧化鋅納米晶電池的轉(zhuǎn)化效率的對比，發(fā)現(xiàn)由于亞微米多孔團聚體對光線的強烈散射，可以在相同單分散納米晶電池的基礎上有20％的效率的提升。說明亞微米團聚體是比單分散納米晶更好的光陽極材料。
　　 ⑤通過長達半年的對亞微米氧化鋅多孔團聚體電池的長期穩(wěn)定性研究，發(fā)現(xiàn)用染料N719敏化的氧化鋅電池在比較溫和的溫度條件下，電池的穩(wěn)定性相當好。這為亞微米氧化鋅多孔團聚體電

7、池的實際應用打開了一扇窗。這是本文的創(chuàng)新點之二。
　　 ⑥通過分析比較不同氧化鋅晶體大小電池的填充因子，得到了在較大的晶體上由于空間電荷層的積累造成能帶彎曲，從而造成電子注入效率隨電池電壓的升高而迅速減小，是造成氧化鋅納米線陣列等基于較大晶體電池填充因子很低的根本原因的結論。要想獲得很高的轉(zhuǎn)化效率，必需采用直徑為12-30納米的納米晶或者納米晶團聚體或者直徑小于30納米的納米線陣列制備光陽極。這是本文的創(chuàng)新點之三。