染料敏化太阳能电池二氧化钛光阳极构筑及界面调控研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池因其优异性而备受关注。本文以研究染料敏化太阳能电池二氧化钛光阳极构筑及界面调控,减少电子复合提高器件电化学性能为目的。研究纳米颗粒二氧化钛电极包覆不同氧化物的影响以及氧化铝包覆合适条件,同时研究电解质添加剂锂离子、4-叔丁基吡啶对二氧化钛/染料/电解质界面的电子转移及器件的电化学性能的影响。采用一步法合成了一维二氧化钛纳米棒,研究合成纳米棒的影响因素和纳米棒二氧化钛光阳极的界面调控。取得主要结论如下:(1)成功对纳米颗粒二氧化钛电极包覆Mg O、Sr O、Al2O3、Zr O2、Nb2O5材料,研究了五种氧化物对器件性能的影响。除了Nb2O5,包覆其他氧化物降低了光注入电子与I-3的复合,提高了器件性能。当包覆Al2O3时,器件在AM 1.5G 100 m W cm-2模拟太阳光辐照条件下获得6.92%的光电转换效率。同时研究电极浸渍时间及前驱体浓度包覆Al2O3对器件性能的影响,发现当前驱体浓度为50 m M,Ti O2电极浸渍时间为60 s时,能够有效抑制暗反应(2e-+I-3→3I-),提高器件的性能,器件在AM 1.5G 100 m W cm-2模拟太阳光辐照条件下Jsc、Voc、FF、η依次分别为14.69m A cm-2、670 m V、0.71和6.97%。(2)研究了电解质添加剂锂离子、4-叔丁基吡啶对Ti O2光阳极的调控作用。发现随着电解质中锂离子浓度的增大,Ti O2导带能级发生下移,加速了光生电子与I-3的复合反应。当锂离子浓度为100 m M时,器件在AM 1.5G 100 m W cm-2模拟太阳光辐照条件下的性能最佳,其Jsc、Voc、FF、η依次分别为14.67 m A cm-2、673 m V、0.72和7.11%。随着电解质中4-叔丁基吡啶浓度的增大,Ti O2导带能级发生上移,抑制了光生电子与I-3的复合反应。当电解质中4-叔丁基吡啶浓度为0.5 M时,器件在AM 1.5G 100 m W cm-2模拟太阳光辐照条件下的性能最佳,其Jsc、Voc、FF、η依次分别为14.27 m A cm-2、688 m V、0.72和7.04%。(3)采用一步水热法可控合成一维Ti O2纳米棒,研究水热反应时间、温度、氨水浓度、NH4Cl和异丙醇含量对Ti O2纳米棒形成的影响。表明:五种因素均对Ti O2纳米棒的形貌或结晶性产生影响。将Ti O2纳米棒作为电极,器件在AM 1.5G100 m W cm-2模拟太阳光辐照条件下的光电转换效率为5.56%。进一步采用Al2O3修饰Ti O2纳米棒电极,发现器件短路电流密度明显下降,提高了开路电压和光生电子寿命,其在AM 1.5G 100 m W cm-2模拟太阳光辐照条件下光电转换效率下降至5.06%。进一步将纳米棒与Ti O2散射层结合制备电极,器件在AM 1.5G 100 m Wcm-2模拟太阳光辐照条件下的光电转换效率为6.13%。与基于Ti O2纳米颗粒电极的器件相比,器件的开路电压高及填充因子均得到提高,这是由于纳米棒有利于电子传输,降低了复合反应。并对两种电极包覆Al2O3后,发现有效的抑制了光生电子与I-3的复合反应,器件的开路电压及填充因子均明显提高,且纳米棒作为光阳极时,器件电化学性能较好。 【关键词】：TiO2光阳极 表面修饰 锂离子 4-叔丁基吡啶 TiO2纳米棒包覆
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 太阳能电池概况12-14
• 1.2.1 太阳能电池的发展情况12-14
• 1.2.2 太阳电池的分类14
• 1.3 染料敏化太阳能电池简介14-18
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池概述14-15
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池结构及工作原理15-17
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池性能表征技术17-18
• 1.4 染料敏化太阳能电池光阳极极材料研究现状18-25
• 1.4.1 TiO_2电极的包覆调控研究现状19-22
• 1.4.2 电解质添加剂对TiO_2电极的修饰研究进展22-23
• 1.4.3 一维TiO_2纳米结构电极研材料究进展23-25
• 1.5 论文选题依据和主要研究内容25-27
• 1.5.1 论文选题依据25
• 1.5.2 主要研究内容25-27
• 第2章 实验材料及研究方法27-36
• 2.1 引言27
• 2.2 实验材料与仪器27-29
• 2.2.1 主要实验材料27-28
• 2.2.2 实验仪器28-29
• 2.3 DSSC器件的制备29-33
• 2.3.1 TiO_2薄膜电极的制备29-30
• 2.3.2 C106染料溶液的配制30-31
• 2.3.3 纳米铂对电极制备31
• 2.3.4 电解质的配制31-32
• 2.3.5 TiO_2薄膜电极包表面覆及敏化32
• 2.3.6 一维TiO_2纳米棒的制备及浆料制备32-33
• 2.3.7 DSSC器件组装33
• 2.4 表征技术与原理33-36
• 2.4.1 扫描电子显微镜(SEM)33-34
• 2.4.2 X射线能谱分析法(EDS)34
• 2.4.3 X射线衍射分析(XRD)34
• 2.4.4 X射线光电子能谱分析(XPS)34
• 2.4.5 N_2吸脱附BET分析34-35
• 2.4.6 紫外可见吸收光谱分析(UV-vis)35
• 2.4.7 透射电镜分析(TEM)35
• 2.4.8 IPCE及J-V分析35
• 2.4.9 电化学阻抗谱分析(EIS)35-36
• 第3章 纳米颗粒TiO_2光阳极的界面调控36-54
• 3.1 引言36
• 3.2 纳米TiO_2电极界面调控的表征36-40
• 3.2.1 TiO_2电极断面SEM表征及TEM表征36-37
• 3.2.2 TiO_2电极不同氧化物包覆的XRD分析37-38
• 3.2.3 TiO_2电极不同氧化包覆的XPS分析38-40
• 3.3 不同氧化物包覆对太阳能电池的影响研究40-47
• 3.3.1 不同氧化物包覆对器件性能的影响40-42
• 3.3.2 浸渍时间对器件性能的影响42-45
• 3.3.3 浸渍溶液浓度对器件性能的影响45-47
• 3.4 电解质添加剂对染料敏化太阳能电池的影响研究47-53
• 3.4.1 锂离子添加剂对器件性能的影响47-50
• 3.4.2 4-叔丁基吡啶添加剂对器件性能的影响50-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第4章 一维TiO_2纳米棒的合成及界面调控研究54-72
• 4.1 引言54
• 4.2 一维TiO_2纳米棒的可控合成及表征54-64
• 4.2.1 水热反应温度对一维TiO_2纳米棒的影响55-57
• 4.2.2 水热反应时间对一维TiO_2纳米棒的影响57-58
• 4.2.3 氨水溶液浓度对一维TiO_2纳米棒合成的影响58-60
• 4.2.4 NH4Cl含量对一维TiO_2纳米棒合成的影响60-62
• 4.2.5 异丙醇含量对一维TiO_2纳米棒合成的影响62-64
• 4.2.6 一维TiO_2纳米棒的BET分析64
• 4.3 一维TiO_2纳米棒对器件性能的影响64-70
• 4.3.1 一维TiO_2纳米棒修饰后EDS分析65-66
• 4.3.2 一维TiO_2纳米棒修饰后TEM分析66
• 4.3.3 不添加散射层的TiO_2纳米棒电极修饰及器件表征66-68
• 4.3.4 添加散射层的TiO_2纳米棒电极修饰及器件表征68-70
• 4.4 本章小结70-72
• 结论72-74
• 参考文献74-82
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果82-84
• 致谢84

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