单基板染料敏化太阳能电池研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs)自1991年首次由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Michael Gratzel教授提出以来,相关研究一直受到世界各国研究人员的广泛关注,其研究领域涉及电化学、有机化学、无机半导体、纳米材料等。目前实验室测试器件的最高光电转换效率已超过12%,由于其制备工艺简单、原材料价格低廉,并能制备成柔性器件和彩色透明器件等特点,一直被视为第三代太阳能电池中最具应用前景的光电转换技术。自2000年以来,DSSCs的商业化进程也发展迅速,世界各国许多科研机构和公司都致力于开发大尺寸应用型DSSCs器件,积极推动其商业化和产业化进程,但是对于传统DSSCs,器件的稳定性和生产成品率仍然不高,致使其成本优势一直未能显现,再者,近年来硅基太阳能电池的成本持续下降,也给DSSCs的发展带了极大的冲击。为了保持市场竞争力,DSSCs在所用材料和结构上都需要进行重大改进,以期解决长期阻碍其发展的诸如敏化剂脱吸附、电极腐蚀、电解液泄漏等问题,并进一步降低其材料成本和生产成本。 本论文讨论了一种具有单基板结构的DSSC器件——基于全印刷技术及介孔碳对电极的单基板DSSCs,使用丝网印刷技术在一块导电玻璃基板上制备多层材料,以多孔碳对电极替代传统的贵金属铂、金对电极,有效降低了器件的材料成本,并采用准固态和固态电解质替代传统的液态电解质,避免了电解质的泄露等问题。 具体研究内容包括： 对单基板DSSCs的结构及制备工艺进行优化,使用丝网印刷技术在一块导电玻璃基板上一次性制备4×5片小尺寸测试电池,通过控制印刷参数及次数来控制二氧化钛工作电极、二氧化锆间隔层及碳对电极的厚度,分析讨论了单基板DSSCs对间隔层和对电极材料的性能要求,如孔隙率、反射率、导电性和催化活性等,并研究了不同厚度工作电极、间隔层和对电极对器件性能的影响； 在传统液态电解质中加入聚合物(聚环氧乙烷和(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物)作为凝胶剂,并优化了氧化还原电对(1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘和碘)的配比,开发出一种不含碘(Iodine-free)的凝胶态聚合物电解质,该凝胶态聚合物电解质在可见光区域(400～800nm)几乎无吸收,相较于传统含有碘的电解质,所组装的器件在400～500nm区域对入射光的利用率更高,标准太阳光照射下可获得6.97%的光电转换效率。通过电化学分析测试,详细分析讨论了该电解质中各组分对器件性能的影响； 合成了一种咪唑型聚离子液体,聚(1-丙基-3-乙烯咪唑碘),将其以1：1的比例溶解在乙腈中,制备出一种凝胶态聚合物电解质并组装电池,该聚离子液体作为电解质体系中唯一的电荷载体,不仅能维持器件高效地工作,还能起到凝胶剂的作用。通过红外光谱、核磁共振等测试分析了该离子液体的结构,并研究了含有不同烷基链的聚离子液体对所制备器件性能的影响； 使用石墨烯纳米片对普通石墨/碳黑复合碳对电极进行表面修饰,在厚度约20μm的条件下,石墨烯修饰碳对电极可以获得与导电玻璃基板相当的导电率,约15Ω/□。使用X射线衍射图谱、拉曼光谱及傅立叶红外光谱等测试方法分析了石墨烯纳米片的还原情况；使用循环伏安测试分析了石墨烯纳米片对碳对电极催化活性的影响,研究结果表明,石墨烯纳米片的加入能有效提高碳对电极的催化活性,从而提升所组装DSSCs器件的填充因子和光电转换效率； 【关键词】：染料敏化太阳能电池 单基板 碳电极 聚合物电解质 聚离子液体 石墨烯
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-25
• 1.1 研究背景10-12
• 1.2 太阳能的利用12
• 1.3 太阳能电池的分类12-15
• 1.4 染料敏化太阳能电池介绍15-23
• 1.5 本论文研究目的及内容23-25
• 2 单基板染料敏化太阳能电池25-46
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-31
• 2.3 结果与讨论31-44
• 2.4 本章小结44-46
• 3 不含碘聚合物凝胶电解质在染料敏化太阳能电池中的应用46-63
• 3.1 引言46-48
• 3.2 实验部分48-50
• 3.3 结果与讨论50-62
• 3.4 本章小结62-63
• 4 聚离子液体在染料敏化太阳能电池中的应用63-78
• 4.1 引言63-65
• 4.2 实验部分65-68
• 4.3 结果与讨论68-77
• 4.4 本章小结77-78
• 5 石墨烯修饰介孔碳对电极78-93
• 5.1 引言78-79
• 5.2 实验部分79-82
• 5.3 结果与讨论82-92
• 5.4 本章小结92-93
• 6 结论与展望93-96
• 6.1 全文研究内容总结93-94
• 6.2 主要创新点94-95
• 6.3 研究展望95-96
• 致谢96-97
• 参考文献97-111
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录111

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