TiO2-ZnO复合型染料敏化太阳能薄膜电池的研究

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当前能源危机已成社会发展的瓶颈,开发新能源迫在眉睫。因此太阳能电池成为研发的焦点,染料敏化太阳能电池因具有制作工艺简单、稳定性、寿命长、价格低廉等优点,成为了近年来的研究热门。本文采用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备了用于染料敏化太阳能薄膜电池的TiO2-ZnO复合薄膜,并对其进行了TG-DTA、XRD、SEM、TEM、紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱分析。以钛酸四丁酯、二水醋酸锌为前躯体,制备了不同Ti/Zn摩尔比例的TiO2-ZnO复合溶胶,对其进行了TG-DTA、XRD测试,对其复合方式进行了研究。研究结果表明Ti/Zn(摩尔比)=3:1混合溶胶在550℃热处理后可生成锐钛矿及偏钛酸锌晶型,结晶度较高,分别为94.8%、94.9%,晶粒尺寸分别为23.771nm和32.649nm,由于体系中Zn2+与C16H36O4Ti具备分子水平的接触,故相组成中必定会有Ti-Zn固溶体生成,研究表明Ti/Zn (摩尔比)=3:1较佳。采用旋涂镀膜法,以载玻片为基体,制备了TiO2-ZnO复合薄膜,研究了薄膜热处理方式、每层溶胶使用量、溶胶粘度、镀膜层数、载玻片处理情况、镀膜方法对薄膜性能的影响。采用SEM及紫外-可见光吸收光谱研究了膜样品结构,结果表明,采用分步热处理方式(即镀1层膜,热处理1次,依次循环的热处理方法)、热处理温度为550℃,基体选择未腐蚀透明载玻片、溶胶粘度控制在2.5mPa·s左右、每层溶胶使用量采用30滴/层、镀膜层数为3层的工艺条件下可得到透明、完整的复合薄膜。若采用一次热处理方式(即镀多层膜后,再进行热处理的方法),膜会出现开裂、脱落缺陷。混合溶胶制得的薄膜厚度约为1.0μm,表面球状颗粒粒径约为0.1μm,在波长为300nm处具备3.9的最高吸光度。分层溶胶制得的薄膜厚度约为0.7μm,表面因四脚形态的T-ZnO晶体垂直纸面方向生长出现大面积三维网状结构,网络宽度为0.1μm,因TiO2颗粒与ZnO颗粒相互间的耦合作用,在320nm~500nm波段范围内出现新的类似吸收边的凸起,且具备0.25~3.2的最高吸光度。为增加薄膜厚度,本研究采用5%HF对载玻片的轻微腐蚀再镀膜,实验发现,此法对膜厚影响甚微且会降低载玻片的透明度。制备了Zn-La共掺TiO2溶胶、Al-Li共掺ZnO溶胶及将二者复合制备了掺杂型TiO2-ZnO复合薄膜,研究了掺杂对薄膜显微结构及紫外-可见光吸收光谱的影响机理。研究结果表明,掺杂型TiO2-ZnO复合薄膜完整、透明,表明少量离子掺杂不会改变薄膜外观,但在一定程度上可提高样品的吸光度。其中离子掺杂浓度分别为Zn(0.6)-La(0.4),Al(1.0)-Li(2.0)的混合溶胶样品薄膜表面颗粒分布稀疏,颗粒粒径约为0.1μm,薄膜厚约为0.8~1.0μm,在波长为290nm处具有最高吸光度,约为4.1,离子掺杂使样品吸收阈值降至336.38nm,禁带宽度升至3.68eV,利于光电子与空穴的分离。溶胶分层镀膜样品中,离子掺杂浓度为Zn(0.2)-La(0.4)、Al(1.0)-Li(2.0)的样品表面分布着由四脚形态T-ZnO沿垂直纸面方向生长形成的大面积三维网络结构,网络宽度约为0.3μm,网络间有片状连接,还有类似多孔的结构,这是由于La3+的掺杂造成了TiO2基体层晶格膨胀变形导致,薄膜厚度约为0.8~1.0μm,在波长为300nm处具有最高吸光度,约为3.9,离子掺杂使样品的吸收阕值降至355.47nm,禁带宽度升至3.49eV,对光电子和空穴的分离有利,且样品中ZnO颗粒与TiO2颗粒之间的耦合作用使样品在320nm处出现新的吸收边。
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