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稀土发光材料在染料敏化太阳能电池中的应用

作　者: 王江丽
导　师: 林建明
学　校: 华侨大学
专　业: 无机化学
关键词: 染料敏化太阳能电池稀土氟化物稀土氧化物上下转换P-型掺杂
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

太阳能是一种清洁能源，它取之不尽、用之不竭，可以帮助人类有效解决能源和环境等问题。太阳能电池是将太阳能转变为电能的光电化学器件，得到了广泛的研究。目前，掀起了对第三代太阳能电池—染料敏化太阳能电池（DSSC）的研究热潮，其光电转换效率已经超过了12%。如何进一步提高DSSC的光电转换效率并降低它的成本是众多科研工作者努力的目标，也是亟待解决的问题之一。提高DSSC光电转换效率的措施有很多，常见的有优化电池的结构，比如寻找和制备新型的n-型半导体、合成新染料、制备新的电解质等；扩大染料的光谱吸收范围。目前，在众多用于DSSC的染料中，最好的染料通常也只能吸收300–800nm范围的光，因而致使很大波长范围内的红外光和紫外光没有得到有效的利用。如何充分利用太阳光，对DSSC转换效率的提高有着重要的意义和研究价值。本文分别以氟化钇、氧化钇为基质，通过高温煅烧法、水热-煅烧法和水热法制备了三种不同的稀土发光粉，并将其添加到DSSC中，利用上下转换发光的作用，提高了电池对光的吸收及电池的光电流。同时，三价稀土离子的加入也导致了DSSC中光阳极平带电势的负向移动和费米能级的提高，提高了DSSC的开路电压。因此，稀土发光粉的加入提高了DSSC的光电转换效率。（1）通过高温煅烧法制备了Er³⁺和Yb³⁺共掺杂的YF3:(Yb³⁺, Er³⁺)上转换发光粉。将其添加到了DSSC中，提高了红外光的利用率和电池的光电流。同时，三价稀土离子的P-型掺杂作用，提高了DSSC的开路电压。在100mW·cm^-2（AM1.5）的模拟太阳光下，当YF3:(Yb³⁺, Er³⁺)的掺杂量为7wt.%时，电池的光电转换性能最佳，光电转换效率达到了7.90%，比掺杂前提高了35%。在红外光照射下(33mW·cm^-2)，光电转换效率从原来的0.055%提高到了0.226%。（2）采用水热-煅烧法制备了Y2O3:Er³⁺纳米棒状上转换发光粉，并将其引入到了DSSC中。通过测试该发光粉的XRD、SEM、TEM、HRTEM、SAED、EDS、激发光谱和发射光谱等，研究了它的物相、形貌特征和光学性能等。通过改变发光粉的添加量，研究了DSSC的性能随Y2O3:Er³⁺掺杂量的改变而变化的情况。结果表明，当Y2O3:Er³⁺的加入量为5wt.%时，DSSC的光电转换效率最大,达到了7.004%，比未掺杂的提高了20%。在33mW·cm^-2的红外光照射下，光电转换效率从原来的0.055%提高到了0.168%。（3）采用水热法，制备了下转换发光粉YF3:Eu³⁺，以提高DSSC的稳定性和对紫外光的利用率。当YF3:Eu³⁺在DSSC中的掺杂量为5wt.%的时候，电池的性能最佳，光电转换效率最大。在100mW·cm^-2的模拟太阳光下，光电转换效率从5.841%提高到7.741%，提高了32%。在紫外光(24mW·cm^-2)照射下，光电转换效率从原来的0.373%提高到了0.557%。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-24
  1.1 引言  10-11
  1.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理  11-12
    1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构  11
    1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理  11-12
  1.3 染料敏化太阳能电池中的光阳极  12-13
  1.4 染料敏化太阳能电池中的染料分子  13-14
  1.5 染料敏化太阳能电池中的电解质  14-15
  1.6 染料敏化太阳能电池中的对电极  15-16
  1.7 稀土发光材料  16-22
    1.7.1 稀土发光材料简介  16
    1.7.2 稀土发光材料的基质  16-21
    1.7.3 稀土发光材料的激活剂  21
    1.7.4 稀土发光材料的敏化剂  21-22
  1.8 本论文的研究目的及研究内容  22-24
第2章染料敏化太阳能电池的制备与表征  24-30
  2.1 DSSC 各部分的制备和组装  24-25
    2.1.1 导电玻璃的预处理  24
    2.1.2 光阳极的制备  24
    2.1.3 电解质的配制  24
    2.1.4 敏化剂  24-25
    2.1.5 对电极的制备  25
    2.1.6 DSSC 的组装  25
  2.2 染料敏化太阳能电池的性能测试  25
  2.3 染料敏化太阳能电池的性能指标  25-28
    2.3.1 开路电压和短路电流  26
    2.3.2 填充因子  26-27
    2.3.3 总光电转换效率  27
    2.3.4 DSSC 的 I-V 特性曲线  27
    2.3.5 TiO2膜的平带电势和饱和电流密度  27-28
  2.4 DSSC 的性能测试及其表征  28
    2.4.1 X-射线（XRD）衍射分析  28
    2.4.2 样品形貌的观察  28
    2.4.3 荧光光谱分析  28
    2.4.4 I-V 特性曲线的测量  28
    2.4.5 DSSC 的平带电势和饱和电流密度的测量  28
  2.5 主要的实验仪器和药品  28-30
    2.5.1 主要的实验仪器  28-29
    2.5.2 主要的实验药品  29-30
第3章 YF3:(Yb3+,Er3+)在染料敏化太阳能电池中的应用  30-44
  3.1 引言  30
  3.2 实验部分  30-32
    3.2.1 TiO2胶体的制备  30-31
    3.2.2 上转换发光粉 YF3:(Yb3+, Er3+)的制备  31
    3.2.3 上转换发光电极的制备  31-32
    3.2.4 DSSC 的组装及其光电性能测试  32
  3.3 结果与讨论  32-42
    3.3.1 YF3:(Yb3+, Er3+)发光粉的 XRD 图  32-33
    3.3.2 YF3:(Yb3+, Er3+)发光粉的光学性能  33-35
    3.3.3 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲线和电流-电压曲线  35-38
    3.3.4 YF3:(Yb3+, Er3+)发光粉的加入对 DSSC 光电性能的影响  38-42
  3.4 本章小结  42-44
第4章 Y2O3:Er3+纳米棒在染料敏化太阳能电池中的应用  44-58
  4.1 引言  44
  4.2 实验部分  44-45
    4.2.1 TiO2胶体的制备  44
    4.2.2 Y2O3:Er3+纳米棒的制备  44-45
    4.2.3 上转换发光电极的制备  45
    4.2.4 DSSC 的组装及光电性能测试  45
  4.3 结果与讨论  45-56
    4.3.1 Y2O3:Er3+发光粉的 XRD 图谱  45-46
    4.3.2 Y2O3:Er3+发光粉的形貌分析  46-47
    4.3.3 Y2O3:Er3+发光粉的光学性能  47-50
    4.3.4 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲线和电流-电压曲线  50-52
    4.3.5 Y2O3:Er3+发光粉的加入对 DSSC 光电性能的影响  52-56
  4.4 本章小结  56-58
第5章 YF3:Eu3+在染料敏化太阳能电池中的应用  58-69
  5.1 引言  58
  5.2 实验部分  58-59
    5.2.1 TiO2胶体的制备  58
    5.2.2 下转换发光粉 YF3:Eu3+的制备  58-59
    5.2.3 下转换发光电极的制备  59
    5.2.4 DSSC 的组装及光电性能测试  59
  5.3 结果与讨论  59-68
    5.3.1 YF3:Eu3+发光粉的 XRD 图  59-60
    5.3.2 YF3:Eu3+发光粉的光学性能  60-62
    5.3.3 TiO2膜的 Mott-Schottky 曲线和电流-电压曲线  62-64
    5.3.4 YF3:Eu3+发光粉的加入对 DSSC 光电性能的影响  64-68
  5.4 本章小结  68-69
第6章总结  69-72
参考文献  72-82
致谢  82-84
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  84-85

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