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Sb2S3敏化TiO2纳米棒阵列太阳电池的制备及其光伏性能的研究
1.引言
1.1研究背景及意义
随着全球能源需求的不断增长和化石能源的逐渐枯竭,寻找清洁、可再生的新能源已成为全球关注的焦点。太阳能因其清洁、可再生、广泛分布等特性,被认为是理想的替代能源之一。太阳能电池作为将太阳能转化为电能的重要装置,其研究和开发具有重要意义。在众多类型的太阳能电池中,染料敏化太阳能电池以其成本低、制造工艺简单、环境友好等优点,受到了广泛关注。
Sb2S3作为一种新型的敏化剂,具有合适的能级结构和优异的光电性质,使其在染料敏化太阳能电池领域具有巨大的应用潜力。TiO2纳米棒阵列作为光阳极材料,具有较大的比表面积和优异的光电性能,能够有效提高太阳能电池的转换效率。
本研究以Sb2S3敏化TiO2纳米棒阵列太阳能电池为研究对象,旨在探讨其制备工艺及其光伏性能,为进一步优化和提高染料敏化太阳能电池的性能提供理论依据和实践指导。
1.2国内外研究现状
近年来,国内外研究者对染料敏化太阳能电池进行了大量研究。在敏化剂方面,研究者们尝试了多种材料,如有机染料、量子点、金属硫化物等。其中,Sb2S3作为敏化剂的研究逐渐受到关注。在光阳极材料方面,TiO2纳米棒阵列因其独特的结构特点,被广泛用于染料敏化太阳能电池。
国外研究者在Sb2S3敏化TiO2纳米棒阵列太阳能电池的制备与性能方面取得了一定的成果。国内研究者也对此进行了深入研究,但在性能优化和稳定性方面仍有待提高。
1.3研究目的与内容
本研究旨在探讨Sb2S3敏化TiO2纳米棒阵列太阳能电池的制备工艺及其光伏性能。具体研究内容包括:
制备不同浓度的Sb2S3敏化剂,并对其进行结构与形貌表征;
制备TiO2纳米棒阵列光阳极,并对光阳极进行结构与形貌表征;
将Sb2S3敏化剂与TiO2纳米棒阵列光阳极结合,制备太阳能电池;
对太阳能电池进行性能测试,包括J-V特性曲线、IPCE光谱和电化学阻抗谱分析;
分析讨论Sb2S3敏化剂浓度、热处理条件以及不同光照射条件下太阳能电池的性能变化;
提出性能优化策略,为染料敏化太阳能电池的研究和开发提供理论依据和实践指导。
2TiO2纳米棒阵列的制备与表征
2.1制备方法
TiO2纳米棒阵列的制备主要采用水热法。首先,将0.1M的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液与0.2M的钛酸四丁酯溶液混合,搅拌均匀后,逐滴加入硝酸溶液,调节溶液的pH值为1。随后将混合溶液转移至反应釜中,在100℃下反应24小时。反应完成后,取出样品,用去离子水和乙醇分别清洗3次,以去除表面的杂质和有机物。最后,将样品在60℃下干燥12小时,得到TiO2纳米棒阵列。
2.2结构与形貌表征
利用X射线衍射(XRD)分析TiO2纳米棒阵列的晶体结构,结果显示样品呈现为锐钛矿型TiO2。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察样品形貌,可以发现TiO2纳米棒阵列排列整齐,直径约为100-200nm,长度约为1-2μm。
2.3性能测试
对TiO2纳米棒阵列进行了光催化性能测试,以亚甲基蓝(MB)降解为模型反应。结果表明,在紫外光照射下,TiO2纳米棒阵列表现出良好的光催化活性,其降解速率常数约为0.025min^-1,优于商用P25型TiO2粉末。
此外,通过电化学阻抗谱(EIS)分析了TiO2纳米棒阵列的电荷传输性能。结果表明,其电荷传输电阻较小,有利于提高太阳电池的光电转换效率。通过上述表征和性能测试,证实了所制备的TiO2纳米棒阵列具有较好的结构与性能,为其在敏化太阳电池中的应用奠定了基础。
3Sb2S3敏化剂制备及表征
3.1Sb2S3敏化剂的制备
Sb2S3敏化剂的制备采用的是化学浴沉积法。首先,将硝酸锑(Sb(NO3)3)和硫脲作为反应前驱体,按照一定摩尔比配置成溶液。在持续搅拌下,将配置好的溶液缓慢滴加到TiO2纳米棒阵列的悬浮液中,并控制溶液的pH值。随后,在恒定温度下反应一定时间,通过化学反应在TiO2纳米棒表面生成Sb2S3敏化剂。
3.2结构与形貌表征
利用X射线衍射(XRD)技术对制备得到的Sb2S3敏化剂进行结构分析,确认其晶体结构。同时,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)观察敏化剂在TiO2纳米棒表面的形貌及分布情况。通过能谱仪(EDS)对敏化剂的元素组成进行分析,确保元素比例和分布均匀。
3.3光电性能测试
对Sb2S3敏化剂进行光电性能测试,首先采用紫外-可见-近红外光谱(UV-vis-NIR)对敏化剂的吸收特性进行表征,分析其光谱响应范围。进一步通过光电流谱(IPCE)测试,评估敏化剂对太阳光的光电转换效率。此外,利用电化学阻抗谱(EIS)分析敏化剂与TiO2之间的界面电荷传输性能。通过这些测试,全面评
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