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半导体纳米晶电极的电化学和光电化学性质

作　者: 寇慧芝
导　师: 杨术明
学　校: 信阳师范学院
专　业: 应用化学
关键词: 染料敏化太阳能电池 表面修饰 氧化还原电解质 平带电势 陷阱态
分类号: O649
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着社会经济的发展和生活水平的提高,人们在追求更加舒适的生活环境的同时,也在消耗着越来越多的能源。随着世界范围内能源供应紧张状况日益加剧,能源将成为制约各国经济的主要因素。太阳能作为清洁的可再生能源,越来越受到人们的重视。在太阳能的有效利用当中,大阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域。为此,人们研制和开发了太阳能电池。二十世纪九十年代发展起来的染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池因其制备简单、成本低、光电转换效率高等优点,已成为当前光电转换器件研究的热点之一。染料敏化太阳能电池主要由半导体纳米晶薄膜、电解质以及敏化剂构成。其中半导体纳米晶薄膜和氧化还原电解质对染料敏化太阳能电池的光电性能有非常重要的影响,是该领域的研究热点。本论文主要从这两方面入手,研究改善太阳能电池光电转化效率的方法和途径。1、通过表面修饰改善染料敏化TiO2纳米晶薄膜的光电转化性质。TiO2纳米晶薄膜具有很高的比表面积,可以吸附大量的染料分子,大大增强了对可见光的吸收效率,因此改善了太阳能电池的光电转化效率。但在纳米结构半导体电极表面与电解质之间缺少耗尽层,注入到半导体导带中的电子容易与电解质中的氧化性物种发生电荷复合,这是制约染料敏化太阳能电池转化效率的一个主要因素,因此如何降低电荷复合就成为改善光电转换效率的关键。本文选用MgTiO3、CaTiO3作为修饰层,其导带边高于TiO2导带边,能够有效地抑制电荷复合,显著提高了光电流和光电压,因而改善了电极的光电转化性质。研究表明,N3敏化CaTiO3表面修饰二氧化钛纳米晶太阳能电池在100 mW/cm2的白光照射下的光电转化效率为9.23%,而没有用CaTiO3修饰电极的值为6.88%,光电转化效率提高了近34%。N3敏化MgTiO3修饰二氧化钛纳米晶膜太阳能电池的光电转化效率为8.75%,未修饰电极的值为6.12%,光电转化效率提高了43%。2、在染料敏化太阳能电池中,电解质起到传输电子和空穴的作用,其中的氧化还原电对、有机溶剂、添加剂以及金属离子的种类等都对电池的性能有重要的影响。一些半径小的金属离子,例如Li+、Zn2+等,在某种程度上可以嵌入到TiO2晶格中,与导带中的电子形成偶极子,加速了偶极子与电解质中I3-的复合,影响电池的效率。本文以水杨醛、乙二胺、ZnI2等为原料合成出碘化N,N’-双水杨醛缩乙二胺合锌配合物,并将其作为电解质首次用于染料敏化太阳能电池中,这种配合物大阳离子的形成避免了金属小阳离子的嵌入,改善了电池的光电性能。研究表明,基于最优电解质配比的电池的短路光电流密度、开路光电压和光电转化效率分别为18.34mA/cm2、0.64V和7.75%,表明碘化N,N’-双水杨醛缩乙二胺合锌是一种有效的氧化还原电解质。3、研究纳米结构SrTiO3电极的能带结构。半导体薄膜是染料敏化太阳能电池的核心部分,它是电荷分离和传输的载体。钙钛矿型SrTiO3半导体具有与锐钛矿型TiO2相似的晶体结构和禁带宽度,具有在染料敏化太阳能电池中的应用潜力。对于纳米结构SrTiO3薄膜电极在不同介质中的能带结构和陷阱态分布的研究还很少见报道。我们合成了大小均匀的SrTiO3纳米粒子,制备了纳米结构SrTiO3薄膜电极,并首次用电化学和光谱电化学的方法研究了纳米结构SrTiO3薄膜电极在不同pH水溶液电解质中的平带电势和陷阱态性质。结果表明SrTiO3电极的平带电势与电解质的pH呈线性关系,其线性方程为Efb=-0.59-0.04pH vs. Ag/AgCl。通过测量电流-时间曲线,研究了SrTiO3电极的陷阱态分布,发现陷阱态密度也依赖于电解质的pH,随pH的增加,陷阱态密度增大。我们进一步研究了SrTiO3电极的能带与N3敏化SrTiO3电极的光电化学性质之间的关系。纳米结构SrTiO3电极在0.2 mol·L-1高氯酸四丁基胺(TBAP)和0.5 mol·L-1 LiClO4的丙腈、丙腈／乙酰丙酮和乙酰丙酮三种溶液中的平带电势分别为-1.48、-0.80和-0.80V,态密度分别为4.19×1016、2.38×1016和1.19×1016cm-2。N3敏化SrTiO3电极在乙酰丙酮作溶剂的电解质中开路光电压和短路光电流密度最好,这与电化学测试SrTiO3电极在乙酰丙酮中的平带电势与N3染料的激发态能级匹配,且态密度最小相一致。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-13
第1章 染料敏化太阳能电池的基本原理和研究进展  13-42
  1.1 引言  13-14
  1.2 太阳能电池的种类  14
  1.3 半导体的性质  14-20
    1.3.1 半导体基本概念  14-16
      1.3.1.1 本征半导体  14-15
      1.3.1.2 电子导电和空穴导电  15
      1.3.1.3 N型和P型半导体  15-16
      1.3.1.4 载流子与载流子浓度  16
      1.3.1.5 载流子的复合与寿命  16
    1.3.2 半导体的光学性质  16-17
    1.3.3 半导体的电子性质  17-20
      1.3.3.1 空间电荷层和能带弯曲  17-18
      1.3.3.2 平带电位  18-19
      1.3.3.3 表面态  19-20
  1.4 太阳能电池的性能评价参数  20-23
    1.4.1 大气质量数  20
    1.4.2光电转化效率  20-21
    1.4.3 Ⅰ-Ⅴ曲线  21-23
  1.5 染料敏化纳米晶太阳能电池  23-29
    1.5.1 结构  23
    1.5.2 工作原理  23-26
    1.5.3 染料/半导体界面  26-29
      1.5.3.1 染料对电子注入的影响  27-28
      1.5.3.2 染料聚集的影响  28-29
  1.6 半导体纳米晶电极  29-32
    1.6.1 TiO_2纳米晶电极  29-31
    1.6.2 其他半导体纳米晶电极  31-32
  1.7 染料敏化剂  32-36
    1.7.1 染料敏化剂的特点  32-33
    1.7.2 联吡啶钌敏化剂  33-35
    1.7.3 有机染料敏化剂  35
    1.7.4 量子点染料  35
    1.7.5 染料的混合使用和分子设计  35-36
  1.8 电解质  36-39
    1.8.1 液态电解质  36-37
    1.8.2 准固态电解质  37-38
    1.8.3 固态电解质  38-39
  1.9 对电极  39
  1.10 论文的选题、研究内容及创新之处  39-42
    1.10.1 论文的选题和研究内容  39-40
    1.10.2 论文选题意义和创新之处  40-42
第2章 N3敏化TiO_2纳米晶薄膜电极的表面修饰  42-61
  2.1 N3敏化MgTiO_3修饰TiO_2纳米晶电极的光电性能  42-51
    2.1.1 引言  42
    2.1.2 实验部分  42-44
      2.1.2.1 试剂与材料  42-44
      2.1.2.2 染料敏化TiO_2纳米晶电极的制备  44
      2.1.2.3 实验方法  44
    2.1.3 结果与讨论  44-51
      2.1.3.1 MgTiO_3修饰TiO_2纳米晶电极  44-45
      2.1.3.2 吸收光谱  45-46
      2.1.3.3 入射单色光量子效率(IPCE)  46-47
      2.1.3.4 IPCE与偏压的关系  47-49
      2.1.3.5 光电流(I_(sc))与光强  49
      2.1.3.6 光电转化效率  49-51
  2.2 N3敏化CaTiO_3修饰TiO_2纳米晶电极的光电性能  51-60
    2.2.1 引言  51
    2.2.2 实验部分  51-53
      2.2.2.1 试剂与材料  51-52
      2.2.2.2 染料敏化TiO_2纳米晶电极的制备  52
      2.2.2.3 实验方法  52-53
    2.2.3 结果与讨论  53-60
      2.2.3.1 CaTiO_3修饰TiO_2纳米晶电极  53
      2.2.3.2 吸收光谱  53-55
      2.2.3.3 入射单色光量子效率(IPCE)  55-57
      2.2.3.4 IPCE与偏压的关系  57-59
      2.2.3.5 光电转化效率  59-60
  2.3 本章小结  60-61
第3章 碘化N,N’-双水杨醛缩乙二胺合锌(Ⅱ)的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用  61-71
  3.1 引言  61-62
  3.2 实验部分  62-64
    3.2.1 试剂与材料  62
    3.2.2 测试方法  62-63
    3.2.3 实验过程  63-64
    3.2.4 染料敏化纳米晶电极的制备  64
  3.3 结果与讨论  64-69
    3.3.1 吸收光谱  64-65
    3.3.2 红外光谱  65-66
    3.3.3 IPCE  66-68
    3.3.4 光电转化效率  68-69
  3.4 本章小结  69-71
第4章 纳米结构SrTiO_3薄膜电极的能带结构及其在染料敏化太阳能电池中的应用  71-93
  4.1 纳米结构SrTiO_3薄膜电极的制备及能带结构  71-82
    4.1.1 引言  71-72
    4.1.2 实验部分  72-73
      4.1.2.1 试剂与材料  72
      4.1.2.2 纳米结构SrTiO_3薄膜的制备  72
      4.1.2.3 测试方法  72-73
    4.1.3 结果与讨论  73-82
      4.1.3.1 纳米结构SrTiO_3薄膜的制备  73-75
      4.1.3.2 光谱电化学和平带电势的确定  75-77
      4.1.3.3 时间分辨电流和陷阱态分布  77-82
  4.2 纳米结构SrTiO_3电极在染料敏化太阳能电池中的应用  82-91
    4.2.1 引言  82
    4.2.2 实验部分  82-83
      4.2.2.1 试剂与材料  82-83
      4.2.2.2 N3敏化纳米结构SrTiO_3薄膜电极的制备  83
      4.2.2.3 测试方法  83
    4.2.3 结果与讨论  83-91
      4.2.3.1 纳米结构SrTiO_3薄膜电极的平带电势与溶剂的关系  83-85
      4.2.3.2 纳米结构SrTiO_3薄膜电极的陷阱态与溶剂的关系  85-90
      4.2.3.3 N3敏化SrTiO_3电极在三种溶剂中的光电流-光电压曲线  90-91
  4.3 本章小结  91-93
第5章 结论  93-95
致谢  95-96
参考文献  96-111
攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录  111

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 半导体化学
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