ZnO有序多孔薄膜的模板组装及电极性能

论文摘要

纳米晶光伏太阳能电池（NPC）以其简单的工艺、低廉的成本及可实现规模化生产等优势成为绿色能源领域的研究热点。本文综述了太阳能电池、ZnO薄膜及模板法合成多孔材料的发展,研究了NPC太阳能电池中n-电极ZnO多孔薄膜的模板法制备,探讨了由其组成的电极的电池性能特征。本文将表面活性剂聚乙二醇（PEG）引入锌溶胶,探讨了PEG在薄膜多孔结构形成中的作用,即锌低聚体和PEG分子为主要组成的“凝胶相”和以溶剂混合物为主要组成的“流体相”通过分相反应成孔。体系中Zn（CH3COO）2?2H2O的浓度以0.6 mol/L为佳;薄膜的孔密度及孔径随PEG分子量的增加而增大,孔径约在90330nm;孔的数量与PEG加入量、水浴温度、水浴时间及溶剂等密切相关;多孔薄膜的透光率在波长大于430nm后保持在80%以上,Eg值约为3.25eV。本文采用浸渍—提拉工艺在玻璃基片上组装聚苯乙烯微球（PS）胶晶模板并在模板微球间隙内填充锌溶胶。研究表明:PS模板组装过程包括对流输运、结晶成核及晶体生长三部分;模板主要为面心立方（FCC）密堆积结构;溶胶填充过程可以避免滴加量难控的问题;所用锌溶胶浓度在0.3mol/L至0.6mol/L的范围内为宜,模板浸渍时间以3min较为适当;薄膜孔径相对于PS粒径约有14.133.1%的收缩;煅烧后的ZnO为六方纤锌矿结构,粒径约为25nm;薄膜透光率在波长大于550nm后保持在80%以上,Eg值较致密膜略有降低,约为3.22eV。文章探讨了PS模板/Zn（NO3）2?6H2O水溶液体系的阴极电沉积化学反应过程,分析了沉积电位、沉积液浓度及沉积温度对薄膜沉积过程、微观结构及性能的影响。结果表明:在整个沉积过程中Zn2+的存在对NO3-的还原起着类催化作用,反应初期存在诱导期;电流密度及沉积速率随沉积电位绝对值、Zn2+浓度及沉积温度的增加而增大;工艺参数对薄膜结构和性能影响较大,当硝酸锌的浓度为0.1mol/L、沉积电位为–1.1V、沉积温度为70℃时,制备的ZnO多孔薄膜有序度较高、表面缺陷较少,透光率及Eg值较高。以PS模板/电沉积技术制备的ZnO多孔薄膜为n-电极,组装NPC电池,电池的开路电压和短路电流随薄膜形貌波动较大,在薄膜孔径小、有序度高、缺陷少时相对较高。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能电池
• 1.2.1 硅系太阳能电池
• 1.2.2 无机化合物薄膜太阳能电池
• 1.2.3 有机太阳能电池
• 1.2.4 纳米晶光伏太阳能电池（NPC）
• 1.3 ZnO 特性、薄膜制备及其应用
• 1.3.1 ZnO 特性
• 1.3.2 ZnO 薄膜的制备
• 1.3.3 ZnO 薄膜的应用
• 1.4 多孔材料的模板组装制备
• 1.4.1 表面活性剂模板
• 1.4.2 嵌段共聚物模板
• 1.4.3 胶晶模板
• 1.4.4 乳液模板
• 1.4.5 有机小分子模板
• 1.4.6 细菌模板
• 1.5 课题的提出
• 第二章 PEG模板/溶胶凝胶法制备的ZnO多孔薄膜
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料及配方
• 2.2.2 薄膜的制备
• 2.2.3 性能测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 ZnO 多孔膜的PEG 模板组装机理
• 2.3.2 ZnO 多孔膜的制备
• 2.3.3 薄膜的性能
• 2.4 本章体会
• 2.5 本章结论
• 第三章 PS 模板/溶胶浸渍法制备的ZnO 多孔薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料及实验方案设计
• 3.2.2 模板及薄膜的制备工艺
• 3.2.3 性能测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 乳液聚合法制备单分散聚苯乙烯微球乳液
• 3.3.2 浸渍—提拉法组装PS 胶晶阵列模板
• 3.3.3 ZnO 多孔膜的制备
• 3.3.4 薄膜的性能
• 3.4 本章体会
• 3.5 本章结论
• 第四章 PS 模板/电沉积法制备的ZnO 多孔薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料及实验方案设计
• 4.2.2 薄膜的制备工艺
• 4.2.3 性能测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 ZnO 的电沉积原理
• 4.3.2 沉积电位的影响
• 2+浓度的影响'>4.3.3 Zn²⁺浓度的影响
• 4.3.4 沉积温度的影响
• 4.4 本章体会
• 4.5 本章结论
• 第五章 ZnO 有序多孔薄膜的电极性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验所用原料及试剂
• 5.2.2 电池组装
• 5.2.3 性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 n-电极薄膜形貌对电池性能的影响
• 5.3.2 n-电极薄膜厚度对电池性能的影响
• 5.3.3 n-电极薄膜孔径对电池性能的影响
• 5.3.4 染料浓度对电池性能的影响
• 5.3.5 敏化时间对电池性能的影响
• 5.3.6 两种n-电极薄膜比较
• 5.4 本章体会
• 5.5 本章结论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢