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染料敏化多孔纳米晶半导体太阳能电池由于制备工艺简单,生产成本低,光电转换效率高等特点近年来备受关注,成为当前科学研究和技术开发的热点之一。这种电池作为一种多组分复合体系,目前还存在着一些制约因素,如多孔半导体纳米材料的选择,光阳极的制备方法,染料的类型,电解质的种类等等都对电池的性能有着重要的影响,本文基于寻找二氧化钛(TiO2)纳米晶的替代品和发展新薄膜制备技术的考虑,选择了另一个重要的半导体材料氧化锌(ZnO)作为光阳极材料和电场动力学(electro-hydrodynamic简写为EHD)方法作为制备薄膜的方法,制备了染料敏化ZnO纳米晶太阳能电池。具体研究内容如下:
1.运用EHD方法成功的制备了基于ZnO光阳极的染料敏化太阳能电池。首次组装了基于离子液体电解质的电池,获得了3.4%(EHD方法)和2.7%(手术刀方法)的光电转换效率。EHD方法制备的ZnO薄膜和手术刀方法相比具有更好的多孔性和机械强度,更优异的光学性能。同时,探讨了EHD方法中影响ZnO电池性能的主要参数,获得最佳电学性能的条件。
首次组装了基于准固态电解质的染料敏化ZnO太阳能电池,初步研究了准固态电池的稳定性。此外,研究了EHD方法在制备光阳极中的普适性。
2.合成了小尺寸的ZnO纳米颗粒溶胶,通过EHD方法制备了ZnO光阳极,成功的组装了电池,获得了4.76%的总光电转换效率,这是目前基于ZnO的染料敏化太阳能电池在模拟太阳光下(AM-1.5,100 mW cm-2)的最高转换效率。为了提高太阳光的利用率(特别是600 nm以上)和电池的转换效率,利用200-300 nm聚苯乙烯球成功的将光散射空腔引入到薄膜中,实现了对长波方向的太阳光的有效利用,电池的光电转换效率提高到5.50%。讨论了效率提高的原因。
3.通过EHD方法成功的制备了不同的尺寸中空TiO2球光阳极,考察了不同制备条件下薄膜的形貌差异,成功的组装了基于中空TiO2球的染料敏化太阳能电池,考察了不同尺寸中空TiO2球的电池性能。中空TiO2球电极作为一种新颖的电极形貌,可能在抑制电解质的挥发和节约电池成本中发挥作用。