染料敏化太阳能电池TiO2阳极的修饰与光电性能研究

作     者：吕崧铭 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄跃武

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：染料敏化太阳能电池 光阳极 TiO2 掺杂 钝化 

摘      要：由于过去几十年全球化石燃料的减少,清洁和可持续的能源现在变得越来越重要。化石燃料的高消耗导致环境中二氧化碳排放量增加,全球变暖。通过引入低成本、可再生和可持续的能源和技术,可以有效缓解这一全球挑战。值得注意的是,获得经济上可行的可再生和可持续能源对环境和社会发展至关重要。与分布不均匀的其他资源相比,广泛可用的可再生绿色能源是太阳能、风能、水电、地热和生物质。其中最广泛可用的资源是太阳辐射,预计将在未来的能源需求中发挥至关重要的作用。染料敏化太阳能电池（DSSCs）是转换太阳能为电能的最有效器件之一,它的出现引起了科研工作者极大的兴趣。在DSSCs中,光阳极材料是连接染料和导电基底的桥梁,对电子的快速传输具有重要意义。TiO因其较大带隙、适合电荷注入和提取的带边位置、激发电子的长寿命、出色的抗光腐蚀性、无毒和低成本等特点,被认为是DSSCs光阳极材料的最佳选择。在TiO的纳米结构中,介孔TiO纳米晶颗粒因其较大的比表面积,能够增强光阳极和相互作用介质界面处的反应,进而提高DSSCs的光电转换效率而备受关注。但是TiO较低的电子迁移率以及纳米晶颗粒晶界处的电子陷阱态增加了光生载流子在DSSCs内界面处的复合损失。针对上述制约因素,围绕如何提高染料敏化太阳能电池光电转换效率为主题,我们对TiO光阳极进行掺杂改性和结构优化研究,具体内容如下:采用水热法成功合成了一系列Sn含量在0-4 at.%之间的Sn掺杂TiO纳米晶颗粒,考察了其作为DSSCs光阳极的性能。XRD结果表明,掺杂对TiO的晶型没有影响。在较低角度下观察到的XRD峰偏移、Raman峰偏移和XPS结果表明Sn离子掺入TiO晶格中。Sn含量从0增加至4 at.%时,TiO薄膜的平带电位发生负移,这有利于增加DSSCs开路电压(V)。此外,未掺杂和Sn掺杂TiO基DSSCs中的电子寿命（?）表明,Sn掺杂可以提高TiO的电子迁移率,进而提高DSSCs短路电流密度(J)。基于此,以2 at.%Sn掺杂TiO纳米晶颗粒（Sn2）作为光阳极材料的器件光电转换效率（η）达到了7.70%,与基于纯TiO的电池相比,效率提高了32.7%。通过水热法制备了TiO纳米线阵列,并采用连续离子层吸附和反应法制备Zn S钝化修饰TiO纳米线阵列。XRD、SEM、TEM和XPS等表征结果表明,Zn S钝化修饰对TiO纳米线阵列形貌和晶体结构无明显影响。以不同Zn S钝化修饰次数的TiO纳米线阵列作为光阳极制备DSSCs,分析Zn S钝化修饰对DSSCs的光电转换性能影响。结果表明:Zn S的加入增加了TiO导带中的电子密度,进而提高了器件的V值。同时,Zn S钝化层的存在可以有效防止DSSCs内界面间的电子复合并提高器件的J值。以最优化条件的Zn S钝化修饰TiO纳米线阵列制备DSSCs,器件的短路电流密度和开路电压分别提升至17.37 m A cm和784 m V,光电转换效率达到10.43%。