铜锌锡硫薄膜的静电喷雾制备及其在DSSC的应用研究

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对电极(Counter electrode,CE)作为染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)的关键组成部分,起着收集外电路电子和催化氧化态电解质还原的作用,是制备高性能DSSC的关键之一。然而,DSSC中最常用的CE材料是Pt基材料,由于其价格昂贵及自然含量偏少,难以在DSSC中大规模应用。因此,新型CE材料及其薄膜制备工艺的研究与开发,受到持久关注。作为p型半导体材料,铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)凭借其组成元素在地球中储量丰富及无毒、晶体结构多样、光学性质优异、电催化活性高、制备方法简单等优点,具备替代Pt作为DSSC器件CE的潜力。本课题创新性地提出了环境友好、基于溶液/悬浮液的静电喷雾法制备不同晶体结构的CZTS薄膜的方法,并将其应用于DSSC器件中。具体来说,主要有三个部分:(1)不同晶体结构的CZTS纳米粒子制备:分别采用了十八烯和乙二醇溶剂体系,通过调节反应条件,制备了纯净且小尺寸的锌黄锡矿相(Kesterite,KT)和纤锌矿相(Wurtzite,WZ)的CZTS纳米晶材料,并对其进行物相结构、尺寸形貌和光学性质表征。(2)CZTS薄膜制备方法及性能研究:首先,以乙醇作为分散剂,成功制备了稳定、高分散度的CZTS悬浮液,为静电喷雾法制备薄膜提供了可能性;然后,基于静电喷雾法,制备了CZTS薄膜。结果表明,静电喷雾法制备的薄膜,表面形貌连续且与基底结合牢固,揭示了较好的薄膜质量。最后,通过改变喷雾时间,确定了最佳薄膜的喷雾时间为10 min时,WZ相CZTS薄膜具备最佳的催化性能,更适合应用于DSSC器件。(3)KT/WZ-CZTS薄膜作为对电极应用于DSSC器件性能研究:将上述的WZ相和KT相的CZTS薄膜分别应用于DSSC器件,并研究了器件性能。结果表明,本文所制备的WZ-CZTS基DSSC在标准光源照射下实现了6.30%的光电转换效率,与基于KT-CZTS的DSSC器件相比,WZ-CZTS的DSSC器件提高了18.4%。这可能归因于,与稳定的KT相不同,亚稳态WZ相具备独特的阳离子无序排列的六方结构,因而具备更高的载流子密度,可以提供更好的催化性能和导电性。以上结果表明,本文提出的CZTS薄膜制备方法是一种很好的CZTS作为CE用于DSSC器件的制备方法。此外,与KT相CZTS相比,WZ相CZTS作为CE在DSSC中的应用效果更好。
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