染料敏化太阳能电池TiO_2光散射层结构与性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池（DSSC）作为传统硅太阳能电池有力的竞争者，受到研究者广泛的关注。作为DSSC关键部件之一的光阳极，成为研究的热点。根据Mie散射理论，当颗粒的大小与光的波长相当时，光会在薄膜内部发生多次散射，从而增强了染料对光子捕获的几率，提高光生电流。 本论文采用溶胶凝胶法合成了TiO2球体，通过调节陈化时间、钛酸丁酯的用量、氯化钾的浓度，合成了尺寸为250nm，650nm，1100nm的TiO2球。将其作为双层结构光阳极的散射层，组装成DSSC进行J-V曲线测试，并对光阳极薄膜的漫反射光谱、染料吸附量的测试结果进行分析，探讨了不同尺寸的大颗粒对DSSC光电性能的影响。研究结果表明，当在光阳极散射层引入250nm TiO2球时，DSSC的光电转化效率最佳，与只有纯P25纳米粒子传输层的DSSC相比，提高了24.48%，其对入射光良好的散射性能极大地弥补了染料吸附量较低的缺陷。 为了制备一种既对入射光有良好的散射性能，又有较高的染料吸附量的材料，本论文对TiO2球体在氨水的存在下进行溶剂热处理，得到分级TiO2聚集体球（初级结构为球体，球体表面承载有纳米梭状体）。通过对水热时间、氨水添加量的调节，详细地探讨了这种分级TiO2聚集体球的形成机理。将其作为双层结构光阳极的散射层，组装成DSSC进行J-V曲线测试。当在DSSC光阳极散射层引入水热时间为18h的产物时，光电转化效率最佳，达到6.4%。通过对光阳极薄膜的漫反射光谱及染料吸附量的分析，对比了溶剂热处理前后，薄膜散射性能及染料吸附量的变化。研究结果表明，分级TiO2聚集体球既对光有良好的散射性能，又具有较高的染料吸附量，可以有效地提高DSSC的光电转化性能。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 散射层 染料吸附量 锐钛矿 TiO2聚集体 大颗粒TiO2
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-21
• 1.1 课题背景8-9
• 1.2 染料敏化太阳能电池9-12
• 1.2.1 DSSC 基本结构及工作原理9-10
• 1.2.2 衡量 DSSC 光电性能参数10-12
• 1.3 DSSC 光阳极12-17
• 1.3.1 TiO_2光阳极材料13-16
• 1.3.2 光阳极 TiO_2薄膜16
• 1.3.3 其他半导体光阳极薄膜16-17
• 1.4 DSSC 染料敏化剂17
• 1.5 DSSC 电解质17-18
• 1.6 DSSC 对电极18-19
• 1.7 课题的研究内容及意义19-21
• 第二章 实验部分21-27
• 2.1 实验药品及仪器21-22
• 2.2 实验仪器22
• 2.3 DSSC 的制备及组装22-24
• 2.3.1 FTO 导电玻璃的清洗22-23
• 2.3.2 TiO_2浆料的制备23
• 2.3.3 光阳极的制备及 DSSC 的组装23
• 2.3.4 染料溶液的制备23-24
• 2.3.5 电解液的配制24
• 2.4 表征方法24-27
• 2.4.1 材料表征24-25
• 2.4.2 DSSC 的光电性能测试25-27
• 第三章 不同尺寸的 TiO_2球的制备及应用27-40
• 3.1 TiO_2球的制备27-28
• 3.2 实验结果与讨论28-39
• 3.2.1 合成条件对 TiO_2形貌的影响28-34
• 3.2.2 以不同尺寸 TiO_2球为散射材料的 DSSC 的光电性能34-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第四章 分级 TiO_2聚集体球的制备及应用40-55
• 4.1 分级 TiO_2聚集球体的制备40-41
• 4.2 实验结果与讨论41-54
• 4.2.1 实验条件对产物形貌的影响41-48
• 4.2.2 以分级 TiO_2聚集体球为散射材料的 DSSC 光电性能48-51
• 4.2.3 不同光阳极的紫外-可见漫反射及透射图谱51-52
• 4.2.4 不同光阳极组装成 DSSC 的 IPCE 图谱52-53
• 4.2.5 不同光阳极组装成 DSSC 的电化学交流阻抗53-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第五章 光阳极制备工艺的优化55-59
• 5.1 TiO_2光阳极薄膜烧结工艺的优化55-56
• 5.1.1 TiO_2光阳极薄膜的不同烧结工艺55
• 5.1.2 不同烧结工艺的 DSSC 的光电性能55-56
• 5.2 不同刮涂工艺对 DSSC 效率的影响56-58
• 5.2.1 不同厚度的 TiO_2薄膜的 SEM 图56-57
• 5.2.2 不同厚度 TiO_2薄膜 DSSC 的光电性能57-58
• 5.3 本章小结58-59
• 第六章 结论59-60
• 参考文献60-66
• 发表论文和参加科研情况说明66-67
• 致谢67

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