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PbS量子点及石墨烯复合材料在太阳能电池中的应用研究

作　者: 张茜
导　师: 刘元富
学　校: 北京交通大学
专　业: 材料学
关键词: PbS量子点 异质结太阳能电池 石墨烯 染料敏化太阳能电池
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


摘要：太阳能电池应用前景广阔,现有太阳能电池存在明显的缺陷,开发一种新型太阳能电池材料势在必行。量子点材料和石墨烯材料具有特殊的光电性能,是太阳能电池新材料的研究热点。本文以研究PbS量子点材料和石墨烯复合材料在太阳能电池中的应用为出发点,分别制备了PbS量子点材料、石墨烯材料、石墨烯掺杂二氧化硅复合材料和石墨烯掺杂四氧化三锰复合材料,并系统研究了上述材料在太阳能电池中的应用。通过化学合成的方法,使反应物通过有机体系溶解成前驱体,混合后瞬间高温成核生长,然后迅速降温抑制产物继续生长。通过上述实验过程制备了PbS量子点材料,通过近红外吸收光谱、XRD、TEM等表征手段证明制备的量子点表面缺陷少,具有明显的量子尺寸效应和量子限域效应,粒径分布在5nm左右。将PbS量子点和TiO2纳晶薄膜制备成异质结太阳能电池,通过测试组装的I-V曲线,可知其效率达0.65%,并且用扫描电镜观察到所制备的异质结电池结构完整。以氧化石墨烯(GO)为原料,通过水合肼热还原法制备出具有氧化还原催化性能的新型碳材料石墨烯(RGO)。并将化学性能非常稳定的二氧化硅掺杂入RGO中,制备成RGO/SiO2复合材料。将RGO和RGO/SiO2复合材料用刮涂法制成对电极,通过XRD,XPS,SEM测试手段考察了两种材料的微观形貌及增强机制,并用CV,TAFEL,EIS测试方法测试并比较了RGO及RGO/SiO2复合材料对电极的催化能力。将两种材料应用于染料敏化太阳能电池中,进行进一步的测试,其中采用RGO/SiO2对电极组装成的电池的光电转化效率达到4.03%。比较发现,通过掺杂Si02,电池效率提高了37.5%。将MnO2混合入GO中,加入水合肼,将混合物还原成RGO/Mn3O4复合材料。通过XRD,XPS,FTIR,SEM,TEM,氮气的吸附和脱附实验等测试手段确定了RGO/Mn3O4的物相组成和微观形貌,将不同比例的RGO和Mn3O4制备成RGO/Mn3O4-1、RGO/Mn3O4-2、RGO/Mn3O4-3对电极,并用CV, TAFEL, EIS测试手法比较了三者的催化能力。将三种对电极材料应用于染料敏化太阳能电池中,进行进一步的测试,其中RGO/Mn3O4-2对电极的电池效率最高,为5.90%,RGO/Mn3O4-1次之,RGO/Mn3O4-3最低。所有的实验过程均在大气环境中进行,并且制备成的对电极薄膜在组装电池时不易脱落,制备方法简单,具有广阔的应用前途。

全文目录


致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
序  10-14
第一章 绪论  14-33
  1.1 太阳能电池的工作原理  15-16
  1.2 太阳能电池的研究现状  16-18
  1.3 提高太阳能电池效率的探索  18-19
  1.4 量子点异质结太阳能电池的探索  19-23
    1.4.1 量子点及其性质  19-21
    1.4.2 量子点在太阳能电池中的应用  21-23
  1.5 染料敏化电池的研究进展  23-33
    1.5.1 染料敏化电池的结构及工作原理  24-25
    1.5.2 染料敏化电池工作电极研究现状  25-27
    1.5.3 染料敏化电池的染料和电解质研究现状  27
    1.5.4 染料敏化电池的对电极研究现状  27-29
    1.5.5 石墨烯对电极的研究进展  29-33
第二章 PbS量子点材料的制备和应用  33-45
  2.1 前言  33-35
  2.2 实验部分  35-39
    2.2.1 实验材料  35
    2.2.2 PbS量子点的制备  35-37
    2.2.3 二氧化钛工作电极的制备  37-38
    2.2.4 PbS量子点异质结太阳能电池的组装  38
    2.2.5 测试与表征  38-39
  2.3 结果与讨论  39-43
    2.3.1 PbS量子点的近红外吸收光谱  39-40
    2.3.2 PbS量子点的尺寸及形貌  40-41
    2.3.3 PbS量子点的晶体结构分析  41
    2.3.4 PbS量子点在异质结太阳能电池中的应用  41-43
  2.4 本章小结  43-45
第三章 石墨烯及SiO_2掺杂对电极的制备和应用  45-59
  3.1 引言  45-46
  3.2 实验部分  46-50
    3.2.1 实验材料  46
    3.2.2 导电基底的预处理  46
    3.2.3 TiO_2胶体的制备  46-47
    3.2.4 石墨烯对电极的制备  47-48
    3.2.5 二氧化硅掺杂石墨烯对电极的制备  48
    3.2.6 工作电极的制备及DSCs的组装  48-49
    3.2.7 测试与表征  49-50
  3.3 结果及讨论  50-57
    3.3.1 物相分析  50-52
    3.3.2 形貌分析  52-53
    3.3.3 催化性能分析  53-56
    3.3.4 RGO及RGO/SiO_2对电极在DSSCs中的应用  56-57
  3.4 本章小结  57-59
第四章 Mn_3O_4掺杂石墨烯对电极的制备和应用  59-74
  4.1 引言  59-60
  4.2 实验部分  60-62
    4.2.1 实验材料  60
    4.2.2 导电基底的预处理  60
    4.2.3 TiO_2胶体的制备  60
    4.2.4 不同比例的Mn_3O_4掺杂石墨烯对电极的制备  60-61
    4.2.5 工作电极的制备及DSSCs的组装  61
    4.2.6 测试与表征  61-62
  4.3 结果与讨论  62-73
    4.3.1 物相分析  62-65
    4.3.2 表面形貌分析  65-68
    4.3.3 催化性能分析  68-71
    4.3.4 Mn_3O_4掺杂石墨烯对电极在DSSCs中的应用  71-73
  4.4 本章小结  73-74
第五章 总结与展望  74-77
  5.1 总结  74-75
  5.2 展望  75-77
参考文献  77-84
作者简历  84-86
学位论文数据集  86

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 光电池 > 太阳能电池
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