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聚苯胺在Sb₂S₃/SnS敏化太阳能电池中的应用研究

作　者: 张晓萍
导　师: 兰章
学　校: 华侨大学
专　业: 物理化学
关键词: 无机半导体太阳能电池聚苯胺硫化锑硫化亚锡
分类号: O633.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

地球上的化石燃料因其储量有限，在21世纪内将会消耗殆尽。因此，新型清洁能源和可再生能源的寻找已成为世界各国所普遍关注和急须应对的问题。太阳能作为一种用之不竭、取之不尽的绿色能源很有优势，而利用太阳能的主要途径之一是制作低成本、高效率、原材料丰富和无污染的光伏电池。在过去二十年里，染料敏化太阳能电池作为一种新型太阳能电池成为国际上研究的重点和热点。近年来，一种替代染料作为光敏化剂的半导体敏化太阳能电池引起人们的关注，该电池又名量子点敏化太阳能电池或超薄吸光层太阳能电池，一些金属硫族半导体如CdS、CdSe、PbS、PbSe、SnS、Sb₂S₃等已经被用于该类电池中并获得持续不断提高的光电转换效率。本文将聚苯胺（PAn）分别用在Sb₂S₃和SnS敏化太阳能电池电解质和对电极部件中，开展了如下几个方面研究：1) Sb₂S₃、SnS敏化TiO₂纳米晶膜及PAn的制备：采用化学浴沉积（CBD）制备了Sb₂S₃敏化TiO₂纳米晶膜，通过FESEM、TEM和紫外可见吸收光谱对其表面形貌，光吸收能力进行表征。通过优化制备条件发现，当用乙酸替代丙酮做溶剂时，制备的Sb₂S₃敏化TiO₂膜为微米-纳米层状结构，较之丙酮做溶剂制备的微米结构具有较高的光吸收能力（短波区）；进一步优化制备浓度和时间，发现当用较低浓度溶液进行沉积，沉积时间为2.5h时制备出的Sb₂S₃敏化TiO₂膜为纳米结构，较之微米-纳米层状结构的Sb₂S₃敏化TiO₂膜具有更高的光吸收能力。用离子交换沉积制备SnS超薄吸光层，离子交换沉积次数为9次时硫化亚锡膜具有较好的光吸收能力、均匀的表面形貌和晶体结构；TEM测试发现，所合成的聚苯胺呈纳米棒状结构，SEM测试发现由这些聚苯胺构成的膜是多孔网状结构，有利于电子的传输。2)含PAn固体电解质的Sb₂S₃敏化太阳能电池研究：以Sb₂S₃敏化TiO₂膜为光阳极、以聚苯胺为空穴传输媒介和以铂为催化剂制备的对电极组装Sb₂S₃敏化太阳能电池，通过I-V测试，阻抗测试对其光电性能进行表征。通过含不同光阳极的电池光电性能测试表明：用乙酸做溶剂制备出的微米-纳米层状结构Sb₂S₃敏化光阳极较之丙酮做溶剂制备的微米结构Sb₂S₃敏化光阳极组装的电池具有较低的电荷转移阻抗，较高的电子寿命因而表现出较高的光电性能，两电池的光电转换效率分别为0.71%和0.88%；为了进一步提高电池光电转换效率，通过优化溶液浓度和沉积时间，发现当用较低沉积浓度沉积时间为2.5h时，制备出的纳米结构超薄Sb₂S₃敏化太阳能电池较之用较高浓度制备出的微米-纳米层状结构Sb₂S₃敏化太阳能电池具备更高的光电性能：短路电流密度可达6.92mA cm-2,开路电压为1.098V，填充因子为0.497，光电转换效率高达3.78%。3)含PAn对电极的SnS敏化太阳能电池研究：采用离子交换沉积法制备了SnS敏化纳晶TiO₂光阳极，通过SEM、XRD、UV-vis等手段对光阳极的表面形貌，晶态结构，紫外-可见吸收和散色性能进行表征，并分别以聚苯胺和铂为催化剂制备对电极，以含碘氧化还原电对和硫氧化还原电对溶液为电解质，组装SnS敏化太阳能电池，对其光电性能进行研究。通过比较不同光阳极、电解质和对电极的组合，发现用光阳极为离子交换沉积9次SnS敏化的纳晶TiO₂膜，对电极为聚苯胺不锈钢网压片膜，电解质为含硫氧化还原电对溶液组装的太阳能电池光电性能最佳，其短路电流，开路电压，填充因子和光电转换效率分别达到4.59mA·cm-2，0.547V，0.505和1.27%。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 引言  10-11
  1.2 量子点敏化太阳能电池的结构和工作原理  11-12
    1.2.1 量子点敏化太阳能电池的结构  11-12
    1.2.2 量子点敏化太阳能电池的工作原理  12
  1.3 量子点敏化太阳能电池的研究进展  12-15
    1.3.1 量子点敏化太阳能电池中的光阳极  12-14
    1.3.2 量子点敏化太阳能电池中的电解质  14
    1.3.3 量子点敏化太阳能电池中的对电极  14-15
  1.4 量子点敏化太阳能电池所面临的困难与挑战  15
  1.5 本论文的研究目的及研究内容  15-18
第2章 Sb_2S_3和 SnS 敏化 TiO_2纳晶膜的制备及聚苯胺的合成  18-24
  2.1 引言  18
  2.2 主要实验药品与仪器  18-20
    2.2.1 主要药品  18-19
    2.2.2 主要仪器  19-20
  2.3 量子点太阳能电池中光阳极的制备  20-21
    2.3.1 导电玻璃的预处理  20
    2.3.2 TiO_2胶体的制备  20
    2.3.3 TiO_2膜的预处理  20
    2.3.4 Sb_2S_3敏化 TiO_2膜的制备  20-21
    2.3.5 SnS 敏化 TiO_2膜的制备  21
  2.4 聚苯胺的合成及 CV 实验  21-22
  2.5 量子点敏化太阳能电池中电解质的配制  22
    2.5.1 Sb_2S_3敏化太阳能电池电解液的配制  22
    2.5.2 SnS 敏化太阳能电池电解液的配制  22
  2.6 量子点敏化太阳能电池中对电极的制备  22-24
    2.6.1 Sb_2S_3敏化太阳能电池中铂对电极的制备  22-23
    2.6.2 SnS 敏化太阳能电池中 PAn 对电极的制备  23-24
第3章聚苯胺形貌及性能表征  24-28
  3.1 引言  24
  3.2 聚苯胺性能表征  24-27
    3.2.1 PAn 的 FESEM 和 TEM 图  24-25
    3.2.2 PAn 的红外测试  25-26
    3.2.3 PAn 循环伏安测试和紫外吸收图谱  26-27
  3.3 本章小结  27-28
第4章含聚苯胺固体电解质的 Sb_2S_3敏化太阳能电池  28-44
  4.1 引言  28
  4.2 聚苯胺作为固体电解质所具有的性质  28-29
  4.3 结果与讨论  29-42
    4.3.1 不同 CBD 溶剂对 Sb_2S_3敏化太阳能电池性能的影响  29-32
    4.3.2 不同厚度 Sb_2S_3敏化层对其电池性能的影响  32-37
    4.3.3 不同 CBD 沉积时间对 Sb_2S_3敏化太阳能电池性能的影响  37-42
  4.4 本章小结  42-44
第5章含聚苯胺对电极的 SnS 敏化太阳能电池  44-54
  5.1 引言  44-45
  5.2 硫化亚锡性能表征  45-49
    5.2.1 SnS 和 TiO_2晶型  45-46
    5.2.2 SnS 的 SEM 图  46-47
    5.2.3 SnS 的紫外可见吸收光谱与漫反射光谱  47-49
  5.3 SnS 敏化太阳能电池  49-52
  5.4 本章小结  52-54
第6章总结  54-56
参考文献  56-67
致谢  67-69
个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果  69

聚苯胺在Sb2S3/SnS敏化太阳能电池中的应用研究

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