磁场对染料敏化太阳能电池性能影响的研究

【摘要】：能源危机的号角已经在世界的各个角落响起，解决能源问题成为各国学者的神圣使命。太阳能是一种随处可见且用之不竭的清洁能源，因而对其的有效使用成为目前解决能源问题的重要途径。染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于其较高的光电转化效率、低廉的成本、简单的制作工艺以及无毒、无污染等一系列优良特点，得到了科研工作者的广泛关注。迄今为止，通过简单的磁场增强方式来提高TiO2基的染料敏化太阳能电池的研究鲜有踏足。本论文主要使用外部磁场和内部磁场两种不同的方式来提高染料敏化太阳能电池的光电性能，为其能够更快的跨入实际应用奠定了基础。 本文首先研究了外加磁场对TiO2基的染料敏化太阳能电池性能的影响。结果表明，不同磁场强度对电池光电转化效率的提高不同，45mT的磁场强度使电池的光电性能达到最佳。其次，我们使用45mT的外加磁场对长时间工作后衰减的电池进行处理，有效地使电池的光电转化性能得到恢复。并且在磁场去除之后较高的性能仍然可以维持一段时间。有两方面原因解释这一现象：一方面来说，磁场促进了电子和空穴朝着不同的方向运动，减少了二者的复合，提高了电子寿命，从而提高了光电转化效率；另一方面，去掉磁场后不完全的去磁化导致了电池性能的长时间维持。 采用共沉淀法、水热法制备了γ-Fe2O3、α-Fe2O3纳米颗粒，并利用表面动力学控制方法合成了α-Fe2O3@TiO2、γ-Fe2O3@TiO2核壳结构，并将它们按照不同的结构、不同的浓度掺杂在TiO2光阳极薄膜中。利用SEM、TEM对产物形貌进行了观察，使用XRD、EDX对其成分进行分析，并测试了它们的磁性能。 最后，我们研究了由铁磁性的γ-Fe2O3纳米颗粒产生的内部磁场对DSSCs性能促进作用。结果显示，单纯的γ-Fe2O3的掺杂虽然使样品光电性能有所提高，但稳定性不好。然而，γ-Fe2O3@TiO2复合结构的掺杂不仅提高了电池的光电性能，而且获得了颇好的稳定性；当复合结构掺杂置于第二层、掺杂浓度为1.5%时，电池光电转化效率的提高达到了6.01%。分析了内部磁场强度对电池转化效率的影响，研究了磁场对电池转化效率促进的内在机制。磁性颗粒的掺杂有效地使磁场整合在电池内部，为该种新型电池的广泛使用提供了便利条件。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 磁场增强 TiO2光阳极 铁磁材料掺杂
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-22
• 1.1 引言9-10
• 1.2 DSSCs 的简介10-16
• 1.2.1 DSSCs 的基本结构10-13
• 1.2.2 DSSCs 的工作原理13-14
• 1.2.3 DSSCs 的性能参数14-16
• 1.3 增强 DSSCs 光电性能的方法16-19
• 1.3.1 表面处理 TiO_2薄膜16-17
• 1.3.2 复合结构的 TiO_2薄膜17-18
• 1.3.3 离子掺杂的 TiO_2薄膜18
• 1.3.4 核壳结构的 TiO_2薄膜18-19
• 1.4 磁场对光电池性能的研究现状19-20
• 1.5 本课题研究目的、意义及主要内容20-22
• 第二章 外部磁场对 TiO_2染料敏化太阳能电池性能的增强与恢复22-38
• 2.1 实验试剂与主要仪器22-23
• 2.2 实验部分23-26
• 2.2.1 电池的制备23-25
• 2.2.2 电池性能的测试过程25-26
• 2.3 实验结果与分析26-37
• 2.3.1 DSSCs 光阳极的形貌表征26-27
• 2.3.2 不同磁场作用下电池性能的增强27-30
• 2.3.3 磁场作用下电池性能的恢复30-36
• 2.3.4 DSSCs 的循环恢复稳定性测试36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 通过铁磁材料的掺杂提高 TiO_2染料敏化太阳能电池的性能38-62
• 3.1 实验试剂与主要仪器38-39
• 3.2 实验部分39-41
• 3.2.1 纳米颗粒的制备39-40
• 3.2.2 光阳极的制备40
• 3.2.3 电池的组装40-41
• 3.3 实验结果与讨论41-60
• 3.3.1 磁性材料γ-Fe_2O_3纳米颗粒的掺杂41-43
• 3.3.2 磁性材料γ-Fe_2O_3@TiO_2纳米颗粒不同结构的掺杂43-48
• 3.3.3 磁性材料γ-Fe_2O_3@TiO_2纳米颗粒不同浓度的掺杂48-58
• 3.3.4 非磁性材料α-Fe_2O_3@TiO_2纳米颗粒不同浓度的掺杂58-60
• 3.4 本章小结60-62
• 第四章 全文总结62-64
• 参考文献64-69
• 发表论文和科研情况说明69-70
• 致谢70-71

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