染料敏化太阳能电池准固态电解质及碳基对电极研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池以其转换效率高、生产成本低、制作工艺简单等优点在近20年间受到越来越多的关注,在各方面的发展也取得了长足的进步。国内外研究者都普遍看好它在未来的市场前景,但染料敏化太阳能电池的转换效率、稳定性等问题始终制约着它的进一步发展。本论文着眼于此,对准固态电解质、碳基材料对电极以及大面积染料敏化太阳能电池模块三个方面进行研究,通过对准固态电解质的优化来提高染料敏化太阳能电池的稳定性,通过对碳基材料作为对电极材料的研究来进一步降低成本,以促进染料敏化太阳能电池早日实现实用化。 本论文以PEO/PVDF和PEO/P(VDF-HFP)共混聚合物作为基质,掺杂纳米Ti02制备出两种不同的高分子凝胶电解质,分别制备出光电转换效率为5.52%和5.49%的准固态染料敏化太阳能电池。文中对共混聚合物中不同高聚物的质量比以及无机纳米填充物对电解质体系的电导率、电池的光电性能的影响进行了系统的研究,并对相关机制进行了讨论。实验结果表明,向高聚物PEO中加入含氟的高分子材料并掺杂纳米Ti02颗粒可以有效地降低电解质本身的电阻率,降低共混物的结晶度,提高体系的离子电导率,并有效减少电极与电解质间的电子复合。 在对电极方面,本论文将单壁、双壁、多壁碳纳米管作为对电极材料制备出不同的染料敏化太阳能电池,并对电极的形貌、电化学性能、电池的光电性能以及稳定性等进行了系统的研究,最终分别得到了7.61%、8.03%、7.06%的光电转换效率,并在室温黑暗条件下600小时老化后,仍能保持最初光电转换效率的90%以上。这些都表明碳纳米管不但具有很强的催化活性,还具有很好的稳定性,可以应用于染料敏化太阳能电池中以改善电荷传输的过程和降低生产成本。 本论文还将二维的新型纳米材料——石墨烯作为对电极材料制备染料敏化太阳能电池。经过热处理后的石墨烯薄膜呈现出一种独特的三维网络状结构,这样不但增大了电极内部的有效催化反应面积进而促进对电极与电解质中氧化还原电对之间的电荷传输,而且还有效增强了石墨烯薄膜与FTO衬底之间的附着力。经过对石墨烯对电极热处理温度的优化,基于石墨烯对电极的染料敏化太阳能电池得到了6.81%的光电转换效率。 另外,针对染料敏化太阳能电池的实用化,本论文还研究开发了两种不同设计的大面积染料敏化太阳能电池模块的制备工艺,制得面积为10cm×10cm的内部并联和Z-型串联两种染料敏化太阳能电池模块,光电转换效率分别达到7.03%和8.08%。并将碳纳米管对电极应用于大面积染料敏化太阳能电池模块,也得到了5.51%的效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 准固态电解质 碳纳米管 石墨烯 对电极 染料敏化太阳能电池模块
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 论文摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 前言12-28
• 1.1 能源结构及发展趋势12-15
• 1.2 太阳能的特点及太阳能电池的发展15-19
• 1.3 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理19-22
• 1.4 本论文的研究目的及内容22-24
• 参考文献24-28
• 第二章 准固态染料敏化太阳能电池的制备与性能研究28-52
• 2.1 PEO-PVDF基准固态染料敏化太阳能电池的制备与研究29-36
• 2.2 PEO-P(VDF-HFP)准固态染料敏化太阳能电池的制备及性能研究36-46
• 2.3 本章小结46-48
• 参考文献48-52
• 第三章 碳纳米管对电极染料敏化太阳能电池的制备与性能研究52-80
• 3.1 双壁碳纳米管对电极染料敏化太阳能电池的研究53-61
• 3.2 单、双、多壁碳纳米管对电极染料敏化太阳能电池的研究与比较61-72
• 3.3 本章小结72-73
• 参考文献73-80
• 第四章 石墨烯对电极染料敏化太阳能电池的制备与性能研究80-102
• 4.1 石墨烯的结构及特性80-84
• 4.2 实验过程84-87
• 4.3 实验结果讨论及机理研究87-95
• 4.4 本章小结95-96
• 参考文献96-102
• 第五章 大面积染料敏化太阳能电池的制备与研究102-126
• 5.1 大面积染料敏化太阳能电池模块的结构103-111
• 5.2 实验过程111-115
• 5.3 实验结果讨论及研究115-121
• 5.4 本章小结121-122
• 参考文献122-126
• 第六章 全文总结与展望126-130
• 6.1 主要研究成果与创新126-128
• 6.2 展望128-130
• 博士期间发表的论文及专利130-134
• 致谢134

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