【摘 要】
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相比于不可再生的化石能源,太阳能被认为是一种有吸引力的可再生能源。由于其环保和免费的特性,太阳能具有广阔的应用前景,且仅需0.1%的太阳辐射到达地球就可以满足人类社会的能源需求。然而,由于制造电池过程中的材料消耗,利用太阳能发电成本很高。因此,研究人员们探索了很多替代的材料和方法来降低成本。其中金属氧化物半导体具有成本低、数量多、稳定性好和易生产的优点,常被用于替代传统的用于太阳能转换的昂贵半导体
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相比于不可再生的化石能源,太阳能被认为是一种有吸引力的可再生能源。由于其环保和免费的特性,太阳能具有广阔的应用前景,且仅需0.1%的太阳辐射到达地球就可以满足人类社会的能源需求。然而,由于制造电池过程中的材料消耗,利用太阳能发电成本很高。因此,研究人员们探索了很多替代的材料和方法来降低成本。其中金属氧化物半导体具有成本低、数量多、稳定性好和易生产的优点,常被用于替代传统的用于太阳能转换的昂贵半导体材料。本文则探索和研究了不同种类的金属氧化物半导体在太阳能转换中的应用。本论文的研究工作可以分为三个部分。（1）通过与Cu2O/CuO耦合促进WO3光阳极的光收集和电荷分离并将其用于光电化学电池。（2）设计一个基于部分覆盖的TiO2光阳极的光电变色器件。（3）基于TiO2/NiO异质结的透明太阳能电池。在第一个工作中,我们旨在提出一种ITO/WO3/Cu2O/CuO串联的光阳极,以增强WO3光阳极的性能。基于半导体WO3的光阳极由于其良好的电子迁移率、长的空穴扩散长度和适合水氧化的价带电位而具有吸引力。然而,该半导体存在的缺点包括:带隙相对较宽、电荷分离和转移较差,以及在与电解质的界面上会快速发生电子-空穴重组。我们在此提出了一种具有ITO/WO3/Cu2O/CuO串联结构的高效光阳极,其制备方法是首先在ITO表面水热生长一层WO3,然后再电沉积一层Cu2O,最后在空气中热处理形成外部的CuO层。我们首先研究了电沉积不同厚度的Cu2O的ITO/WO3/Cu2O光阳极,以获得具有最佳催化活性的Cu2O的适当厚度,然后通过热处理形成Cu2O/CuO。串联光阳极产生的电流密度为4.7 mA cm-2,分别是ITO/WO3/Cu2O和ITO/WO3的电流测量值的1.4和5.5倍。我们分析其性能增强的原因是:1)吸收了太阳光谱中的紫外线、可见光和近红外光;2)加速了 WO3和Cu2O/CuO之间异质结的电荷分离;3)形成的CuxO的电催化活性高于纯Cu2O的催化活性;4)形成了 CuO的保护层。因此,这项研究展现了一种用于太阳能采集的高性能和低成本的光阳极的有希望的方法。在第二个工作中,由于基于TiO2的电致变色器件（ECD）和染料敏化太阳能电池（DSSC）在结构上的相似性,可将二者集成成一个单一的光电致变色器件。光电变色装置由工作电极、氧化还原电解质和对电极组成。在第四章中,开发了一种MoS2纳米片上部分覆盖的聚（3,4-（2,2-二甲基丙烯二氧基）噻吩）（PProDOT-Me2）反电极以取代昂贵的Pt对电极,实现光电致变色器件的高性能光电变色特性。该器件由所述的对电极、含有Br-/Br3-氧化还原对的电解液和一个由集成有PProDOT-Me2的染料敏化TiO2光阳极制成的工作电极组成。由于Br-/Br3-电解质在可见区具有86%左右的高透光率,本文中采用其来取代常见的I-/I3-电解质。PProDOT-Me2被涂在两个电极上,但它有不同的功能。阳极上的PProDOT-Me2是作为电致变色（EC）薄膜工作的。阴极上的PProDOT-Me2则是作为电催化层发挥作用。通过切换光照条件,ECD可以在深蓝和无色之间切换。ECD在580纳米处实现了 46%的透光率调制,循环稳定性超过500次（4%的对比度衰减）,比基于Pt或MoS2的对电极的稳定性高5倍。此外,在光照条件下,着色态和褪色态之间的切换速度很快,着色时间为2.1秒,漂白时间为1.5秒。这些特性来自于对电极的独特设计,有利于加速电致变色过程,提高自供电性能,实现良好的循环稳定性。这项研究揭示了一种新的方法,可以为建筑一体化光伏技术中的高效光电变色器件制备一种有前途的对电极。在第三个工作,即第五章中介绍了一种基于TiO2/NiO异质结的透明太阳能电池。该透明太阳能电池在可见光范围内实现了 78%的高平均透过率。它可以通过可见光并吸收紫外光,然后产生电能。此外,透明太阳能电池的填充因子FF、短路密度Jsc和开路电压Voc分别为31%、0.325 m和0.175 V。这些结果证实了 TiO2/NiO异质结透明太阳能电池的形成。这项研究可能为透明太阳能电池的高性能化提供了一条新的思路。
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