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染料敏化太阳能电池因其简单的制作工艺及廉价的制作成本,成为太阳能光电转换领域的研究热点,其中光阳极材料是影响染料敏化太阳能电池转换效率的关键因素,因此本文选取具有优良的电子传输性能和光电化学性质的WO3半导体作为染料敏化太阳能电池的工作电极。此外,利用非金属掺杂可有效提高WO3的光吸收性能和电子传输性能,从而改善WO3的光电化学性质,进而提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
本文以偏钨酸铵为钨源,十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂,通过水热烧结法制备不同粒径的纳米WO3粉体。然后添加分散剂、粘结剂等配制WO3浆料,利用简单的刮涂法成功制备出WO3纳米晶薄膜电极,并采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线能谱分析(XPS)以及紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱等手段进行表征。研究发现,WO3粉体粒径是影响薄膜光电性能的重要因素。当热处理温度为650℃的粉体制备成膜时,样品表现出最优良的光电性能,光电流密度2.5 mA/cm2,载流子浓度值达3.45×1020 cm3,平带电位为0.46 V。以尿素为N源加入WO3粉体浆料中,利用粉末涂敷法制得N掺杂WO3薄膜,并进一步研究了不同N掺杂量对WO3薄膜电化学性能的影响。结果表明,制备的N掺杂WO3薄膜是取代型N掺杂;当N/W比1%时,其禁带宽度为2.5 eV左右,其光电流密度是未掺杂WO3薄膜的1.5倍左右。
在上述研究的基础上,分别以WO3以及N-WO3纳米晶薄膜吸附N719染料作为工作电极,I3-/I-氧化还原对为电解质,铂电极为对电极,成功组装成简单的三明治式染料敏化太阳能电池,通过Ⅰ-Ⅴ曲线、单色光光电转换效率(IPCE)的测试来研究工作电极膜厚对电池性能的影响。研究表明,当WO3以及N-WO3纳米晶薄膜膜厚为7μm时为最佳膜厚,在波长500 nm处光电转换效率分别可达19%和28%。