溶剂热法原位生长CZTS薄膜及Li+掺杂BaTiO3在新型太阳能电池中的应用

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在新型的第三代太阳能电池中,钙钛矿太阳能电池和染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于其简单的制备过程、较高的光电转换效率,近年来成为光电化学研究领域的热点。本论文采用溶剂热法在FTO导电玻璃上原位生长四元Cu2Zn Sn S4(CZTS)纳晶薄膜,研究其作为DSSCs对电极的光电性能;将水热法合成的Li+掺杂的Ba Ti O3铁电材料制备为薄膜,引入钙钛矿太阳能电池中,并研究该薄膜在电场下极化后对组装的电池光电性能的影响。主要研究内容如下:(1)采用低成本溶剂热法在FTO导电玻璃上原位生长四元CZTS纳晶薄膜,通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱(Raman)等测试分析手段对制备的CZTS纳晶薄膜进行表征,研究反应时间和反应物前驱体溶液浓度对薄膜的晶体结构和形貌的影响。结果表明,反应时间会影响制备CZTS的纯度,前驱体溶液的浓度则会影响CZTS纳晶薄膜的厚度,因此可以通过改变前驱体溶液浓度控制薄膜的厚度。(2)通过循环伏安曲线、Tafel极化曲线和电化学阻抗谱等电化学测试对制备的CZTS纳晶薄膜与Pt电极的催化性能进行了比较与分析。优化条件下制备的CZTS纳晶薄膜催化活性与Pt电极相当,具有较好的催化性能。将其与Pt电极分别作为对电极与染料敏化的Ti O2光阳极组装DSSC,并进行J-V测试,优化条件下制备的CZTS纳晶薄膜对电极显示出与Pt相当的光伏性能。(3)采用水热合成方法制备Li+掺杂的Ba Ti O3粉末,通过SEM、XRD和XPS等测试方法对合成的材料进行表征,表明Li+的掺杂状态及产物形貌。将该材料在FTO上制备成薄膜,接着再制备一层Ti O2得到Ba Ti O3/Ti O2复合薄膜,用做钙钛矿太阳能电池的电子传输层。通过测试钙钛矿太阳能电池的J-V曲线以及电化学阻抗谱发现,当Li+掺杂摩尔比为1.0时,Ba Ti O3薄膜的电化学性能最优。对Ba Ti O3薄膜层施加电场组装的钙钛矿太阳能电池的光电流电压要高于Ba Ti O3薄膜层未施加电场的电池,相应的阻抗较低,光电转换效率也更优。外加电场的作用可以优化薄膜内部铁电畴的排列,有助于加速光生电子与空穴的分离和传输,以此提高电池光电转换效率。
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