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敏化太阳电池是新一代采用薄膜技术的光电化学电池,主要包括染料敏化太阳电池(DSC)和最近发展起来的量子点敏化太阳电池(QDSSC)。经过20年的研究发展,人们对DSC的光阳极、染料、电解液、对电极的研究已经取得了巨大的进步。但是,对其中透明导电氧化物(TCO)衬底的研究却很少。事实上,TCO是所有采用薄膜技术的光伏电池中都需要的材料,其对敏化太阳电池的性能和制备工艺有着十分重要的影响,对柔性化技术更是起着决定性的作用。本论文围绕适用于敏化太阳电池的TCO材料——掺氟氧化锡(FTO)的制备及其应用展开研究,并取得了如下研究成果:
一、自主设计并搭建了一套超声喷雾热解系统。该系统具有雾滴尺寸可控,尺寸小,加热温度范围大、温度均匀性高、可控精度高等特点。利用该套系统优化得到了制备FTO薄膜的工艺。制备的FTO玻璃当方阻达到12～13Ω/□时,可见光平均透过率可以达到79.3%,电阻率为5×10-4Ω cm,其性能十分接近商用FTO玻璃TEC-15的性能。超声喷雾热解系统的搭建与FTO薄膜的制备工艺构成了本论文一系列相关研究的技术基础。
二、利用超声喷雾热解系统制备得到了一系列不同方阻和不同透过率的FTO玻璃,并用于组装成DSC。同时通过两种等效测试方法的实验结果及理论分析得到了一个用于评价DSC中FTO玻璃性能的新指标MTC,研究表明该指标与DSC的效率成线性正比。利用这个新指标,可以在任何新的FTO玻璃被组装成DSC之前就评价出它被组装之后DSC性能的好坏,从而大大简化了优化DSC中FTO玻璃的过程。该评价指标对DSC量产化节约成本、提高电池性价比有着十分重要的指导意义。
三、通过在黄铜基底上结合喷雾热解法与转移方法,首次成功地在柔性PET衬底上制备了高透过率和低方阻的FTO薄膜,并测试了其结构、电学、光学和弯曲柔性等特征。结果表明该方法可以得到高质量的FTO薄膜,最低电阻率可达7.6×10-4Ω·cm,与传统镀在玻璃上的FTO的电阻率差不多。通过增加黄铜基底的酸处理时间,可以使制备在PET上的FTO的弯曲性能大大提高而超过现有的商品ITO/PET。进一步通过对弯曲基底的观察,证明了基底粗糙化是提升柔性TCO薄膜导电性和弯曲特性的关键所在。
四、利用在石墨基底上逆序制备TiO2散射层、TiO2纳晶层、FTO层和PET衬底的方法,首次制备了一种用于CdS/CdSe量子点敏化太阳电池的柔性光阳极。在一个标准太阳光强(AM1.5,100 mWcm-2)下,利用这种柔性光阳极、Cu2S对电极和多硫化物电解液组装成的量子点敏化太阳电池的光电转化效率达到了3.47%,可以达到传统基于FTO玻璃的光阳极87%的性能。该工作为发展全柔性QDSSC提供了关键技术。
五、利用在石墨基底上逆序制备热解铂、FTO层和PET衬底的方法,提供了一种用于DSC的柔性热解铂对电极的制备技术。通过改变FTO的制备温度,比较了各种不同柔性对电极组装成DSC时的I-V特性及其本身的EIS谱,得到了FTO层的最佳制备温度,得到的柔性热解铂对电极可以达到传统导电玻璃上热解铂对电极性能的94%以上。这种方法可以在聚合物衬底上得到高质量的热解铂,为制备高性能柔性DSC提供了可能。