染料敏化太阳能电池多元金属硫化物对电极制备技术及性能研究

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1、中图分类号：TB34论文编号：102870617-B007学科分类号：080503博士学位论文染料敏化太阳能电池多元金属硫化物对电极制备技术及性能研究研究生姓名陈善龙学科、专业材料加工工程研究方向纳米功能材料指导教师陶杰教授汪涛教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一七年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandTechnologyPrepara

2、tionandPropertiesofMultinaryMetalChalcogenidesCounterElectrodeforDye-sensitizedSolarCellsAThesisinMaterialProcessingEngineeringbyChenShanlongAdvisedbyProf.TaoJieandProf.WangTaoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhiloso

3、phyMarch,2017承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要由于染料敏化太阳能电

4、池(Dye-sensitizedsolarcells,DSSCs)具有制备工艺简单、原材料资源丰富、环境友好、材料成本低和可制备成柔性或半透明器件等特点而备受关注，是低成本、高效新型太阳能电池的代表。典型的DSSCs主要由吸附有单层有机染料敏化剂的半导体多孔膜（即光阳极），对电极催化材料及填充在光阳极和对电极间含有氧化还原对的电解质组成，其中光阳极和对电极材料都是沉积在导电基底上（如掺F的氧化锡，FTO）。而作为DSSCs的重要组成部分，对电极常用的催化材料是贵金属铂，其高昂的价格及较低的地壳储量

5、严重限制了DSSCs的商业应用推广。为此，研发并设计合成高效稳定且廉价的无铂(Pt)对电极材料，对DSSCs产业化发展具有重要意义。本论文以对电极催化材料为切入点，立足廉价、高效、来源丰富的Cu2ZnSnS4(CZTS)等多元金属硫化物或硒化物材料，开发并设计出高效便捷的薄膜制备工艺，从而达到降低DSSCs生产成本和加强DSSCs光电转换效率及竞争力的目的。得出的主要结论如下：（1）以廉价的无机金属盐为原料，采用溶剂热法合成了物相纯净、结晶性优异的Kesterite结构的CZTS纳米颗粒，结合旋涂

6、后硫化退火的工艺制备了基于CZTS颗粒的对电极，并组装成DSSCs。其中，重点研究了低温溶剂热体系中，反应时间、反应溶剂、摩尔配比及硫源种类对物相组成的影响。硫化退火后膜层颗粒有明显长大，禁带宽度约为1.5eV。J-V曲线结果表明--退火后的CZTS薄膜对I3/I有一定的催化能力，但组装的DSSCs光电转换效率(3.14%)与Pt对电极组装的转换效率(4.96%)有较大差距，是由于CZTS薄膜质量不高，分布有大量微裂纹。o（2）提出了一种新颖的高温溶剂热法(400C)，无需后续退火可直接获得结晶性

7、优异的CZTS亚微米级单晶粉体，直接旋涂制备成对电极后组装的DSSCs光电转换效率(η)达到了4.24%，明显改善的η证实了CZTS作为廉价高效对电极材料的潜能。（3）引入预处理晶种层，利用溶剂热法在FTO上原位生长Kesterite结构的CZTS纳米薄膜，直接作为对电极应用于染料敏化太阳能电池。研究了不同晶种层及溶剂热条件，对薄膜形貌、物相结构、元素成分和电化学催化性质的影响，以及染料敏化太阳能电池的光电性能。经过TiCl4溶液前处理后，在FTO上生长一层结合力强且均匀的CZTS膜层，而未处理的

8、基底上几乎无膜层存留。此外，反应溶剂表面张力越小越有利于CZTS纳米结构在基底上均匀生长。以无水乙醇作为溶剂，薄膜由底部交互的单晶纳米片和表面堆积的多晶颗粒组成，呈多孔且均匀的形貌，有助于增加催化活性位点和比表面积，膜层厚度可通过反应前驱液与无水乙醇的体积配比调节。电流密度-电压特征曲线(J-V)测试表明，当CZTS膜厚从350nm增大至580nm时，22填充因子从37增加至63，电流密度(JSC)从10.74mA/cm增加至12.45mA/cm，η也提升至最高I染料敏化太阳能电池