氧化石墨烯与ZnO的制备及在太阳能电池中的应用研究

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随着时代的不断地发展与进步,石墨烯(Graphene)及其太阳能电池逐步走进人们的视野。其中染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells,DSSCs)、钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)具有较为丰富的原料、制备步骤简易安全以及光电转换能力出色等突出特点,在科技领域掀起了一阵研究热潮。目前DSSCs与PSCs的光电转换效率仍存在很大的提升空间,而电池的制备是直接决定DSSCs与PSCs电池性能高低的主要因素之一,因此可将石墨烯及其衍生物用于DSSCs与PSCs电池制备中,这可在一定程度上提升其电池性能。基于上述分析,本论文采用改进Hummers法制得的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)和Zn O半导体材料作为制备太阳能电池光阳极部分的原料,通过不同的实验方案处理对DSSCs与PSCs光阳极部分进行修饰与改善,从而达到提升电池光电性能的目的,并分别采用XRD、SEM、TEM、BET、AFM及多种电池光电性能测试系统等检测手段进行研究分析。主要研究内容与结果如下:(1)以改变氧化温度排列顺序的改进Hummers法制备GO,研究其氧化产物的物相组成、微观形貌及结晶结构等方面,再利用氧化产物进行热还原和化学还原,研究其还原产物的物相组成并进行差异分析。结果表明:以高温-低温-中温为氧化温度顺序的改进Hummers法制备出了具有良好微观形貌的GO薄层结构,其GO为多晶结构且片层边缘和层间附着较多的官能基团,其层间距约为0.81nm。此外,采用热还原GO制备RGO,在500℃热处理还原效果最佳,采用化学还原GO制备RGO,GO:水合肼质量比为10:7时化学还原效果最佳,对比其制备产物的XRD的特征衍射峰可知化学还原法的还原效果优于热还原法。(2)以六水合硝酸锌作为锌源,蔗糖作为燃料,采用溶液燃烧法制备Zn O超细粉体,研究其产物的物相组成及微观形貌。并利用其产物为原料制备DSSCs光阳极多孔层,以Zn O溶胶制备光阳极致密层。研究电池光阳极致密层、多孔层膜厚及其热处理温度等部分对其DSSCs光电转换性能的影响规律。结果表明:溶液燃烧法成功制备出了Zn O超细粉体,其具有良好的微观形貌且其粉体平均粒径约为50nm,比表面积为24.83cm2/g。综合实验结果可知,当在Zn O光阳极热处理温度为450℃时,致密层膜厚约为200nm、多孔层膜厚约为31μm时,其DSSCs光电转换效率均有显著提高,开路电压Voc、短路电流密度Jsc和填充因子FF等性能参数分别为0.63V、12.73m A/cm2和64.70%,其PCE可达5.20%,展现出了DSSCs较佳的光电转换能力,这说明致密层的隔断阻挡与Zn O超细粉体的高比表面积可有效提升电池效率。(3)基于上述研究,采用化学还原法制备RGO/Zn O复合粉体,并以RGO/Zn O复合粉体制备RGO/Zn O光阳极,研究以RGO/Zn O复合粉体产物的物相组成、微观形貌及其以不同质量分数比制备的RGO/Zn O光阳极组装的DSSCs光电转化性能。结果表明:RGO/Zn O复合粉体是以Zn O为主体,片状结构的RGO为掺杂修饰Zn O,其Zn O粒径约为50nm,RGO尺寸约为100nm-200nm。RGO/Zn O光阳极微观形貌良好,其表面粗糙度为21.6nm。当GO与水合肼质量比为10:7,RGO的添加量为1.25wt.%时,以RGO/Zn O复合粉体作为DSSCs光阳极,具有较为良好的光电性能,其电池性能参数Voc、Jsc和FF分别为0.66V、13.11m A/cm2和72.71%,其PCE可达6.27%,比较以Zn O作为光阳极所制备的DSSCs,其PCE效率提高了22%左右,这说明RGO的掺入可在一定程度上修饰Zn O并提升DSSCs电池性能。此外,利用旋涂工艺法和热处理制备Zn O/RGO电子传输层,研究其对PSCs的光电性能影响规律。结果表明,Zn O/RGO电子传输层具有良好的微观形貌,且其表层粗糙度(Ra=15.2nm)优于Zn O电子传输层(Ra=17.1nm)。以Zn O/RGO作电子传输层的PSCs的PCE可达12.03%,其电池性能参数Voc、Jsc与FF分别为1.07V、17.91m A/cm2和62.98%,比较Zn O作电子传输层制备的PSCs光电转换效率(PCE=5.29%)提升了127%,这说明加入RGO薄膜可有效阻止Zn O与钙钛矿材料进行化学反应。
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