基于Al掺杂SnO2染料敏化太阳能电池的研究

罗小成

摘 要：采用水热法制备出Al3+掺杂二氧化锡薄膜，通过丝网印刷到导电玻璃（FTO）上，在马弗炉程控0-450℃温度下烧结7小时，并将其用N719染料敏化成染料敏化太阳能电池（DSSC），通过X射线衍射（XRD），扫描电镜（SEM）透射电镜（TEM）以及紫外可见光谱（uv-vis），对其进行了表面形貌与光电性能表征，研究Al3+掺杂对SnO2晶型及染料敏化太阳能电池的光电性能影响，由于Al3+ 的存在，对半导体内电子与空穴的捕获及阻止电子/空穴对的复合发挥了重要作用。通过太阳能电池光电转化率测试仪测试光电转化率达到了2.1，相对于无掺杂的纯二氧化锡薄膜光电转化效率提高了0.8个点，短路电流密度4.72mAcm-2提高到5.96mAcm-2。

关键词：Al掺杂；染料敏化太阳能电池；XRD；SEM；TEM；UV-ViS

引言

太阳光发电，作为无穷的，完全清洁的能源，近年来越来越受到人们的重视，目前，得到广泛应用的太阳能电池几乎均采用硅材料。为降低成本节省昂贵高纯硅材料，进行了电化学薄膜等方面尝试。其中一个重要方面将一种窄禁带得到半导体材料修饰，把之装到另一种宽带隙半导体上形成染料敏化太阳能电池[1]

这种电池的优点是可将吸收太阳光产生激发态电子区域与电荷传递区域从而减小复合，提高光电转化率。

SnO2是一种非常重要的半导体材料，廉价，完全稳定，它的带隙是3.6eV。

90年代以来人们一直在探索制备高表面的SnO2薄膜方法，并用光敏化剂对其修饰提高光电转换率。这种电池就是纳米二氧化锡以及铝离子掺杂染料敏化太阳能电池。

铝离子掺杂二氧化锡染料敏化太阳能电池的研究，主要是通过掺九水硝酸铝来提供铝离子，从而比较不同掺杂浓度对电池光电因素与性能的影响。

这样我们通过制备11种不同比例的Al掺杂SnO2纳米浆料作为只改变光阳极，来研究电池的性能与表征。因此只讨论制备光阳极。实验方法如下：

每次称取21.04克SnCl4·5H2O，做11个样品。掺杂九水硝酸铝，掺杂摩尔比是：Al（NO3）3·9H2O：SnCl4·5H2O，从未掺杂到掺杂。未掺杂-0.5%-1%-1.5%-2%-2.5%-3%-3.5%-4%-4.5%-5%- 物质的质量比，称量后再用量筒量取90ml去离子水与30ml无水乙醇倒入同一只烧杯，放在磁力搅拌器上搅拌，直到变成溶液，把溶液装入三只聚四氟乙烯密封瓶里，放入反应釜，然后放入电热鼓风干燥箱，经过12小时，温度180℃后，得到白色的物质，这些物质经离心机分离提纯得到掺Al的SnO2，把这些粉体加热蒸发掉水与酒精最后得到干燥纳米二氧化锡粉体，收集。收集粉体时，由于每次掺杂量不同，研钵都要用酒精洗干净备用。

1 制备二氧化锡纳米浆料

每次称取相同的纳米粉体1g，把粉末放入干净的烧杯中，向烧杯里倒入90ml酒精，磁力搅拌器搅拌10钟，然后加入乙基纤维素0.34g，10分钟后加入松油醇1.2g，接着加热，温度在乙醇沸点以上。

加质量比为：松油醇：乙基纤维素：二氧化锡=3.5：1：3最后得到糊状的膏药。

2 制备染料敏化太阳能电池

把制备的浆料通过丝网印刷到导电玻璃上，然后放到马弗炉里烧结7小时，拿出，用吹风机吹掉玻璃表面的灰尘，然后放到N719染料盒里泡12小时，取出用酒精冲洗干净表面没有粘附的染料，这样光阳极就做好了，下一步就是做对电极：滴涂氯铂酸到导电玻璃上经马弗炉烧结得铂对电极，然后把光阳极与对电极错开叠放，用两只夹子夹住，这样染料敏化太阳能电池就做成了。

3 测试光电转换效率

把制得的电池放到测试光电转化率仪器上进行测试，这样开路电压、短路电流、填充因子等参数就显示出来了一素列数据，如开路电压，短路电流、填充因子，平均功率等。通过铝掺杂的I-V曲线，UV-VIS曲线的研究发现掺杂对光电转化率的影响成抛物线形，2%铝掺杂光电转化率最高，因此说适量的铝掺杂确实提高了基于二氧化锡染料敏化太阳能电池的光电转化效率。最高的光电转化率4号电池的I-V曲线如图1。

参考文献

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