基于Al摻雜SnO2染料敏化太陽能電池的研究

羅小成

摘 要：采用水熱法制備出Al3+摻雜二氧化錫薄膜，通過絲網印刷到導電玻璃（FTO）上，在馬弗爐程控0-450℃溫度下燒結7小時，并將其用N719染料敏化成染料敏化太陽能電池（DSSC），通過X射線衍射（XRD），掃描電鏡（SEM）透射電鏡（TEM）以及紫外可見光譜（uv-vis），對其進行了表面形貌與光電性能表征，研究Al3+摻雜對SnO2晶型及染料敏化太陽能電池的光電性能影響，由于Al3+ 的存在，對半導體內電子與空穴的捕獲及阻止電子/空穴對的復合發揮了重要作用。通過太陽能電池光電轉化率測試儀測試光電轉化率達到了2.1，相對于無摻雜的純二氧化錫薄膜光電轉化效率提高了0.8個點，短路電流密度4.72mAcm-2提高到5.96mAcm-2。

關鍵詞：Al摻雜；染料敏化太陽能電池；XRD；SEM；TEM；UV-ViS

引言

太陽光發電，作為無窮的，完全清潔的能源，近年來越來越受到人們的重視，目前，得到廣泛應用的太陽能電池幾乎均采用硅材料。為降低成本節省昂貴高純硅材料，進行了電化學薄膜等方面嘗試。其中一個重要方面將一種窄禁帶得到半導體材料修飾，把之裝到另一種寬帶隙半導體上形成染料敏化太陽能電池[1]

這種電池的優點是可將吸收太陽光產生激發態電子區域與電荷傳遞區域從而減小復合，提高光電轉化率。

SnO2是一種非常重要的半導體材料，廉價，完全穩定，它的帶隙是3.6eV。

90年代以來人們一直在探索制備高表面的SnO2薄膜方法，并用光敏化劑對其修飾提高光電轉換率。這種電池就是納米二氧化錫以及鋁離子摻雜染料敏化太陽能電池。

鋁離子摻雜二氧化錫染料敏化太陽能電池的研究，主要是通過摻九水硝酸鋁來提供鋁離子，從而比較不同摻雜濃度對電池光電因素與性能的影響。

這樣我們通過制備11種不同比例的Al摻雜SnO2納米漿料作為只改變光陽極，來研究電池的性能與表征。因此只討論制備光陽極。實驗方法如下：

每次稱取21.04克SnCl4·5H2O，做11個樣品。摻雜九水硝酸鋁，摻雜摩爾比是：Al（NO3）3·9H2O：SnCl4·5H2O，從未摻雜到摻雜。未摻雜-0.5%-1%-1.5%-2%-2.5%-3%-3.5%-4%-4.5%-5%- 物質的質量比，稱量后再用量筒量取90ml去離子水與30ml無水乙醇倒入同一只燒杯，放在磁力攪拌器上攪拌，直到變成溶液，把溶液裝入三只聚四氟乙烯密封瓶里，放入反應釜，然后放入電熱鼓風干燥箱，經過12小時，溫度180℃后，得到白色的物質，這些物質經離心機分離提純得到摻Al的SnO2，把這些粉體加熱蒸發掉水與酒精最后得到干燥納米二氧化錫粉體，收集。收集粉體時，由于每次摻雜量不同，研缽都要用酒精洗干凈備用。

1 制備二氧化錫納米漿料

每次稱取相同的納米粉體1g，把粉末放入干凈的燒杯中，向燒杯里倒入90ml酒精，磁力攪拌器攪拌10鐘，然后加入乙基纖維素0.34g，10分鐘后加入松油醇1.2g，接著加熱，溫度在乙醇沸點以上。

加質量比為：松油醇：乙基纖維素：二氧化錫=3.5：1：3最后得到糊狀的膏藥。

2 制備染料敏化太陽能電池

把制備的漿料通過絲網印刷到導電玻璃上，然后放到馬弗爐里燒結7小時，拿出，用吹風機吹掉玻璃表面的灰塵，然后放到N719染料盒里泡12小時，取出用酒精沖洗干凈表面沒有粘附的染料，這樣光陽極就做好了，下一步就是做對電極：滴涂氯鉑酸到導電玻璃上經馬弗爐燒結得鉑對電極，然后把光陽極與對電極錯開疊放，用兩只夾子夾住，這樣染料敏化太陽能電池就做成了。

3 測試光電轉換效率

把制得的電池放到測試光電轉化率儀器上進行測試，這樣開路電壓、短路電流、填充因子等參數就顯示出來了一素列數據，如開路電壓，短路電流、填充因子，平均功率等。通過鋁摻雜的I-V曲線，UV-VIS曲線的研究發現摻雜對光電轉化率的影響成拋物線形，2%鋁摻雜光電轉化率最高，因此說適量的鋁摻雜確實提高了基于二氧化錫染料敏化太陽能電池的光電轉化效率。最高的光電轉化率4號電池的I-V曲線如圖1。

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