TiO_2光阳极的制备及固态染料敏化太阳能电池的机理研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)最初由瑞士洛桑联邦高等理工学院(EPFL)Gratzel教授领导的研究小组于1991年取得突破性进展,相对于昂贵的传统硅太阳能电池,DSSC工艺简单、价格低廉、能量转化效率较高,因此被认为是最有希望取代前者的新一代光伏器件。染料敏化太阳能电池由半导体薄膜光阳极、染料敏化剂、电解质及对电极四部分组成,其中光阳极承担着吸附染料、分离传输电荷的重任,对染料敏化太阳能电池的能量转化效率有着直接的影响。本论文针对TiO2光阳极展开研究,旨在提高染料敏化太阳能电池的光电性能,具体研究工作如下： (1)利用水热法合成TiO2纳米颗粒,通过调节反应物中TMAH的加入量、水热反应时间以及后期乙基纤维素的加入量,制备了TiO2纳米颗粒浆料并作为光阳极应用于染料敏化太阳能电池,同时对电池器件进行了测试研究。通过条件的优化,我们的制备基于TiO2纳米颗粒的DSSC (TiO2膜厚12μm)的短路光电流Jsc、开路光电压Voc分别达到了16.72mA cm-2和0.736V,能量转换效率达到了8.25%。 (2)将TiO2纳米颗粒沉积到原位生长于导电玻璃上的TiO2纳米棒阵列上,将二者结合作为光阳极应用于DSSC器件,相比于同样厚度的纯TiO2纳米颗粒层光阳极,前者具有较高的短路电流密度及能量转化效率。短路光电流的提高归因于TiO2纳米棒阵列/纳米颗粒光阳极具有较低的导带边,使电子注入动力有所增大。同时TiO2纳米棒阵列/纳米颗粒结构具有良好的抑制电荷复合效果,从而在保证开路电压的基础上提高了能量转化效率。 (3)通过水热法在导电玻璃基片上生长了TiO2纳米棒阵列,再将其与石墨烯复合,在纳米棒顶端覆盖一层石墨烯后实现了TiO2纳米棒阵列的继续生长,制备了多层TiO2纳米棒阵列,并将其作为光阳极应用于染料敏化太阳能电池,同时对电池光电性能做了相应研究。研究结果显示,随着TiO2纳米棒阵列厚度增大,对染料分子的吸附量增加,使得电池器件短路光电流密度Jsc有明显的增加,但是开路光电压Voc则逐渐降低。考虑多层TiO2纳米棒阵列的综合性能,当TiO2纳米棒阵列为两层(4μm)时得到最佳的光电性能,其电池器件短路光电流Jsc为7.30mA cm-2,开路光电压Voc为0.702V,填充因子FF为0.75,能量转化效率达到了3.86%。 (4)将合成的TiO2纳米颗粒应用于全固态染料敏化太阳能电池,其中固态电解质分别为按一定比例与I2和LiI混合的含有酯基的咪唑碘盐(EMImI)与含有烷基链的咪唑碘盐(DMPImI)两种离子导体,并对二者的光电性能进行了研究。分析了电池器件导带边、电荷复合、电子收集效率等对开路光电压、短路光电流、填充因子的影响,阐释了含有酯基的EMImI离子导体可以有效提高电池的光电性能的原因,这对研发更高效的离子导体电解质具有理论指导意义。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 光阳极 光伏性能 TiO_2 纳米颗粒 纳米棒阵列 多层 固态电解质 酯基
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 目录3-7
• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-40
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 太阳能电池分类12-15
• 1.2.1 单晶硅太阳能电池12-13
• 1.2.2 多晶硅薄膜太阳能电池13
• 1.2.3 非晶硅太阳能电池13
• 1.2.4 化合物薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.5 有机聚合物太阳能电池14
• 1.2.6 染料敏化太阳能电池14-15
• 1.3 染料敏化太阳能电池的工作原理与性能参数15-21
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的工作原理15-17
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的性能参数17-21
• 1.4 染料敏化太阳能电池的研究现状21-38
• 1.4.1 染料敏化剂21-26
• 1.4.2 电解质26-30
• 1.4.3 对电极30-34
• 1.4.4 光阳极34-38
• 1.5 课题研究的内容及目的38-40
• 第二章 实验部分40-47
• 2.1 实验原材料与DSSC的制备过程40-43
• 2.1.1 实验仪器40-41
• 2.1.2 导电基板41-42
• 2.1.3 二氧化钛浆料制备42
• 2.1.4 二氧化钛薄膜的制备42
• 2.1.5 染料的敏化42
• 2.1.6 液态电解质的配制42
• 2.1.7 热解铂对电极的制备42
• 2.1.8 电池器件的组装和密封42-43
• 2.2 表征使用仪器及测试方法43-47
• 2.2.1 紫外—可见光(UV-Vis)光谱分析43
• 2.2.2 电池的光电性能测试43-44
• 2.2.3 入射单色光子-电子转换效率(IPCE)44
• 2.2.4 强度调制光电流/光电压谱(IMPS/IMVS)44-45
• 2.2.5 电荷释放法45
• 2.2.6 电化学阻抗测试(EIS)45-47
• 第三章 TiO_2纳米颗粒的水热合成47-56
• 3.1 引言47-48
• 3.2 实验部分48-49
• 3.2.1 实验试剂48
• 3.2.2 二氧化钛纳米颗粒的制备48
• 3.2.3 光阳极的制备以及DSSC的组装48-49
• 3.2.4 表征与分析49
• 3.3 结果与讨论49-55
• 3.3.1 不同TMAH加入量对电池效率的影响49-52
• 3.3.2 水热时间对电池效率的影响52-53
• 3.3.3 乙基纤维素加入量对电池效率的影响53-55
• 3.4 本章小结55-56
• 第四章 TiO_2纳米棒阵列/纳米颗粒光阳极及其染料敏化太阳能电池性能研究56-68
• 4.1 引言56-57
• 4.2 实验部分57-58
• 4.2.1 实验试剂57
• 4.2.2 制备TiO_2纳米棒阵列及TiO_2纳米颗粒57
• 4.2.3 光阳极的制备以及DSSC的组装57-58
• 4.2.4 表征与分析58
• 4.3 结果与讨论58-67
• 4.3.1 光阳极的结构及形貌58-61
• 4.3.2 光阳极染料吸附量61
• 4.3.3 电池器件的光电性能61-63
• 4.3.4 电池器件的IPCE分析63
• 4.3.5 电池器件的导带分析63-65
• 4.3.6 电池器件的电荷抑制分析65-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第五章 多层TiO_2纳米棒阵列及其染料敏化太阳能电池性能研究68-81
• 5.1 引言68-69
• 5.2 实验部分69-71
• 5.2.1 实验试剂69
• 5.2.2 石墨烯悬浮液的合成69-70
• 5.2.3 多层TiO_2纳米棒阵列70
• 5.2.4 光阳极的制备以及DSSC的组装70
• 5.2.5 表征与分析70-71
• 5.3 结果与分析71-80
• 5.3.1 光阳极的结构及形貌71-73
• 5.3.2 光阳极染料吸附量73
• 5.3.3 电池器件的光电性能73-75
• 5.3.4 电池器件的IPCE分析75-76
• 5.3.5 电池器件的电荷抑制分析76-78
• 5.3.6 电池器件的电化学阻抗谱分析78-80
• 5.4 本章小结80-81
• 第六章 酯基咪唑盐离子导体全固态电池的性能研究81-93
• 6.1 引言81-82
• 6.2 实验部分82-84
• 6.2.1 实验试剂82
• 6.2.2 全固态染料敏化太阳能电池的组装82-83
• 6.2.3 电池的光电性能测试83
• 6.2.4 表征方法83-84
• 6.3 结果与讨论84-91
• 6.3.1 光伏性能84-86
• 6.3.2 酯基官能团对短路光电流J_(sc)的影响86-89
• 6.3.3 酯基官能团对开路光电压V_(oc)的影响89-90
• 6.3.4 酯基官能团对填充因子FF的影响90-91
• 6.4 本章小结91-93
• 全文总结93-95
• 参考文献95-107
• 攻读硕士学位期间已取得的研究成果107-108
• 致谢108-109

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