天然染料敏化纳米TiO_2太阳能电池的研究

【摘要】：新能源开发与保护环境是人类本世纪的首要任务,太阳能的有效开发利用是解决这两大任务的最有效手段。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)是一种制备简单、成本低廉,并且绿色无污染的太阳能电池,染料敏化剂是DSSC结构不可缺少的重要组成部分,其对DSSC的光电性能起决定性的作用。人工合成的染料一般价格比较昂贵、制备过程比较复杂,而天然染料具有价格便宜、制备过程简便,绿色无污染等优点,可直接作为敏化剂应用于DSSC。本文拟采用海娜花中提取的天然染料为敏化剂,进行天然染料敏化纳米TiO2太阳能电池的研究。用水和无水乙醇作为溶剂从海娜花中提取天然染料,用高效液相色谱-二极管阵列检测器、傅里叶变换红外光谱以及核磁共振等对其组成进行分析。探讨了不同溶剂提取的海娜花天然染料敏化纳米TiO2太阳能电池的光电性能。得到的主要成果如下:(1)以乙醇为溶剂,从海娜花中提取天然染料,并将其作为敏化剂应用于DSSC。采用紫外-可见吸收光谱对不同pH值下的海娜花乙醇提取染料进行测试,并对其敏化的太阳电池进行光电性能分析,得出在中性(原始pH值)条件下,可见光区起敏化剂作用的有效成分为叶绿素a、类胡萝卜素等;在碱性条件下,由于指甲花醌、木犀草素、芹菜素等酚羟基质子解离,紫外吸收峰发生红移并且吸收强度增加;在酸性条件下叶绿素a失去卟啉环中的镁成为脱镁叶绿素,主要吸收峰都在420nm和670nm左右;在pH=5时,海娜花乙醇提取染料敏化纳米TiO2太阳能电池的开路电压为0.39 V、短路电流密度为0.66 mA?cm-2、填充因子为0.60、光电转换效率为0.15%,400 nm处IPCE达到了1.7%。(2)以水为溶剂,从海娜花中提取天然染料,并将其作为敏化剂应用于DSSC。测试了海娜花水提取染料在不同PH值的吸附脱附性能,结果表明其在PH=4时具有较好的吸附性能。通过紫外-可见吸收光谱分析可知,在波长380nm和670nm附近有较高的吸收峰,可见光区起敏化剂作用的主要有效成分为指甲花醌。采用不同浓度水提纯的海娜花天然染料敏化纳米TiO2太阳能电池,探讨了其光电性能。结果表明在浓度为7.5g/L时,DSSC的开路电压为025V、短路电流密度为0.22 mA?cm-2、填充因子为1.06、光电转换效率为0.06%,约400 nm处IPCE达到了0.8%。 【关键词】：海娜花 天然染料 光电性能 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ134.11;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-11
• 第二章 文献综述11-25
• 2.1 太阳能电池的发展11-12
• 2.2 天然染料敏化太阳能电池的发展12-14
• 2.2.1 叶绿素及其衍生物敏化太阳能电池13
• 2.2.2 单宁酸(tannin)及其衍生物敏化太阳能电池13
• 2.2.3 花青素及其衍生物敏化太阳能电池13-14
• 2.2.4 类胡萝卜素类敏化太阳能电池14
• 2.3 染料敏化太阳能电池结构14-15
• 2.4 染料敏化太阳能电池的工作原理15-16
• 2.5 染料敏化太阳能电池的性能评价参数16-18
• 2.5.1 总转换效率16-17
• 2.5.2 J–V曲线17
• 2.5.3 吸附脱附伪二阶模型17-18
• 2.6 二氧化钛纳米薄膜光阳极18-21
• 2.6.1 二氧化钛纳米薄膜性质18
• 2.6.2 纳米TiO_2复合薄膜的改性18-21
• 2.7 染料敏化21-22
• 2.8 染料敏化太阳能电池电解质的研究进展22-23
• 2.8.1 液体电解质的研究进展22
• 2.8.2 固体电解质的研究进展22-23
• 2.9 染料敏化太阳能电池中对电极的研究23-24
• 2.10 染料敏化太阳能电池存在的问题24
• 2.11 选题的目的和意义24-25
• 第三章 实验部分25-31
• 3.1 实验原料及试剂25-26
• 3.2 实验仪器及设备26
• 3.3 实验方案26-31
• 3.3.1 玻璃基底的预处理26-27
• 3.3.2 致密TiO_2薄膜的制备27-28
• 3.3.3 纳米多孔TiO_2薄膜制作28
• 3.3.4 TiO_2太阳能电池光阳极制作28-29
• 3.3.5 染料的制备与测试29-30
• 3.3.5.1 海娜花乙醇提取液的制备29
• 3.3.5.2 海娜花水提取染料的制备与测试29
• 3.3.5.3 海娜花染料的测试29-30
• 3.3.6 铂对电极的制备30
• 3.3.7 染料敏化太阳能电池的组装和测试30-31
• 第四章 结果与讨论31-51
• 4.1 海娜花乙醇提取液敏化纳米TiO_2太阳能电池31-41
• 4.1.1 海娜花乙醇提取液的HPLC-DAD分析31-33
• 4.1.2 海娜花乙醇提取液的FTIR光谱分析33-34
• 4.1.3 不同pH值海娜花水提取液浸染光阳极的紫外-可见吸收光谱分析34-37
• 4.1.4 海娜花乙醇提取液浸染不同时间的DSSC的光电性能分析37-38
• 4.1.5 不同pH值海娜花乙醇提取液敏化DSSC的光电性能分析38-41
• 4.2 海娜花水提取染料敏化纳米TiO_2太阳能电池41-51
• 4.2.1 海娜花水提取染料的HPLC-DAD分析41-43
• 4.2.2 海娜花水提取染料的核磁共振分析43-45
• 4.2.3 海娜花水提取染料敏化纳米TiO_2太阳能的电池紫外-可见吸收光谱分析45-46
• 4.2.4 不同PH值海娜花水提取染料在光阳极上的吸附脱附性能分析46-49
• 4.2.5 不同浓度海娜花水提取染料敏化纳米TiO_2太阳能电池的性能分析49-51
• 第五章 结论51-52
• 参考文献52-55
• 致谢55-56
• 附录：作者攻读硕士期间发表的论文及成果56

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