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磁控溅射法制备碳膜及在太阳能电池中的应用研究

作　者: 刘姝泓
导　师: 刘贵山
学　校: 大连工业大学
专　业: 材料学
关键词: 磁控溅射碳膜对电极染料敏化太阳能电池
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells，简称DSSCs）是20世纪90年代发展起来的一种廉价，高效，制备工艺简单的新型薄膜太阳能电池。1991年，瑞士洛桑高等工业学院Gr tzel等人首次利用纳米技术制备染料敏化太阳能电池，并得到了7%的光电转化率，从此染料敏化太阳能电池便成为各界学者的研究热点，迅速发展起来。对电极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分之一，主要参与电子的收集和输运过程，通常由载有铂催化剂的导电玻璃构成，由于铂成本较高，因此人们尝试采用廉价的炭材料作为对电极来代替铂。炭材料催化活性高，导电性好，性能稳定，而且成本低，近年来受到广大学者的关注。目前，炭材料作为对电极的染料敏化太阳能电池的光电转化率已经达到了10.04%。本实验采用双极脉冲磁控溅射的方法，以石墨为靶材，在FTO导电玻璃上沉积碳膜，作为染料敏化太阳能电池的对电极，组装电池，并对其进行光电性能测试，分析了溅射功率、衬底温度、工作气压、氮掺杂量等工艺条件对碳膜的物相结构、表面形貌、方块电阻及电池的光电转化率等方面的影响，以确定最佳的实验条件和工艺参数。实验结果表明，磁控溅射法制备的碳膜为非晶态的类金刚石结构，经过热处理可以提高其石墨化程度，降低电阻值，提高对电极的导电性能。溅射功率的大小影响着薄膜表面的粗糙程度。工作气压的高低可以改变碳膜对太阳光的透过率。适量的氮掺杂能够提高碳膜的导电性。采用磁控溅射法制备的碳膜对电极在溅射功率为50W，衬底温度为400℃，工作气压为0.5Pa，氮气分压为30%的条件时，DSSCs的光电转化率最高，为1.16%。与传统的丝网印刷法制备的石墨对电极和真空蒸发法制备的铂对电极相比，磁控溅射法制备碳对电极的短路电流密度、开路电压、填充因子、光电转化率等性能参数均有所降低，但是仍有良好的发展前景和应用空间。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-12
第二章文献综述  12-25
  2.1 染料敏化太阳能电池简介  12-16
    2.1.1 染料敏化太阳能电池的结构  12-15
      2.1.1.1 光阳极  12-13
      2.1.1.2 对电极  13-14
      2.1.1.3 电解质  14
      2.1.1.4 染料敏化剂  14-15
    2.1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理  15-16
    2.1.3 染料敏化太阳能电池的性能参数  16
  2.2 染料敏化太阳能电池中炭材料对电极的研究进展  16-19
    2.2.1 石墨对电极  16-17
    2.2.2 炭黑对电极  17
    2.2.3 碳纳米管对电极  17-18
    2.2.4 非晶态对电极  18
    2.2.5 其它形态碳对电极  18-19
  2.3 磁控溅射法制备碳膜的研究进展  19-24
    2.3.1 磁控溅射镀膜的工作原理及特点  19-21
    2.3.2 磁控溅射制备碳膜的种类  21-23
      2.3.2.1 四面体碳膜  21
      2.3.2.2 类金刚石碳膜  21-22
      2.3.2.3 类石墨碳膜  22
      2.3.2.4 含氢碳膜  22-23
      2.3.2.5 含氮碳膜  23
    2.3.3 磁控溅射法制备碳膜的性能及应用  23-24
  2.4 课题的研究意义和创新之处  24-25
第三章实验部分  25-32
  3.1 实验药品及仪器设备  25-26
  3.2 导电玻璃基底的清洗  26-27
  3.3 对电极的制备  27-28
    3.3.1 磁控溅射法  27
    3.3.2 真空蒸镀法  27-28
    3.3.3 丝网印刷法  28
  3.4 光阳极 TiO_2薄膜的制备  28-29
    3.4.1 TiO_2致密膜的制备  28
    3.4.2 TiO_2多孔膜的制备  28-29
  3.5 染料的配制与吸附  29
  3.6 电解液的配置  29
  3.7 染料敏化太阳能电池的组装  29
  3.8 分析测试方法  29-32
    3.8.1 物相结构分析  29-30
      3.8.1.1 XRD  29-30
      3.8.1.2 Raman spectra  30
      3.8.1.3 XPS  30
      3.8.1.4 FTIR  30
    3.8.2 微观形貌分析  30
      3.8.2.1 SEM  30
      3.8.2.2 AFM  30
    3.8.3 电池光电性能测试  30-32
      3.8.3.1 方块电阻测试  30-31
      3.8.3.2 UV-VIS  31
      3.8.3.3 V-I 曲线  31-32
第四章结果与讨论  32-54
  4.1 靶材原料分析  32-34
    4.1.1 靶材原料的 XRD  32-33
    4.1.2 靶材的表面形貌  33-34
  4.2 溅射功率的影响  34-35
    4.2.1 不同功率下碳膜的表面形貌  34
    4.2.2 不同功率下碳膜的电阻  34-35
  4.3 衬底温度的影响  35-41
    4.3.1 不同衬底温度下碳膜的结构  35-37
    4.3.2 不同衬底温度下碳膜的表面形貌  37-39
    4.3.3 不同衬底温度下碳膜的电阻  39
    4.3.4 不同衬底温度下碳膜对电极的 DSSCs 的 V-I 曲线  39-41
  4.4 工作气压的影响  41-45
    4.4.1 不同工作气压下碳膜的结构  41-42
    4.4.2 不同工作气压下碳膜的光透过性  42-43
    4.4.3 不同工作气压下碳膜的电阻  43-44
    4.4.4 不同工作气压下碳膜对电极的 DSSCs 的 V-I 曲线  44-45
  4.5 氮掺杂量的影响  45-51
    4.5.1 氮掺杂碳膜的结构  45-48
    4.5.2 不同氮掺杂量下碳膜的表面形貌  48-49
    4.5.3 不同氮掺杂量下碳膜的电阻  49
    4.5.4 不同氮掺杂量下碳膜对电极的 DSSCs 的 V-I 曲线  49-51
  4.6 不同对电极材料的影响  51-54
    4.6.1 不同对电极材料的表面形貌  51-52
    4.6.2 不同对电极材料的电阻  52
    4.6.3 不同对电极材料的 DSSCs 的 V-I 曲线  52-54
第五章结论  54-55
参考文献  55-59
致谢  59-60
附录A 攻读硕士期间发表的论文及成果  60

磁控溅射法制备碳膜及在太阳能电池中的应用研究

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