低温柔性染料敏化太阳能电池光阳极的低温制备

【摘要】：柔性染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，由于质量轻，易卷曲，非常适合作为一些小型移动电子产品的充电电池。同时这种电池非常适合于卷对卷的工业化生产，是一种非常有前途的太阳能电池类型。本文主要是利用ITO-PET制备柔性染料敏化太阳能电池，主要目的是改善TiO_2薄膜与导电基底之间的结合力，以及TiO_2薄膜中颗粒与颗粒之间的结合性能。进而改善电池的染料敏化太阳能电池的光伏性能，提高电池的光伏转化效率。为此我们采取化学烧结法，研制无高分子化合物的水热粘结剂，再利用镜面反射法，提高电池的转化效率。分别如下： （1）实验首先使用商业购买的P25和粒径200nm的TiO_2粉体，利用化学烧结法制备TiO_2浆料，最后再在ITO-PET上120℃低温制备成光阳极薄膜，进而组装成柔性染料敏化太阳能电池。将P25与200nm TiO_2大颗粒以不同质量比例混合在一起，分别为90:10,85：15，80:20的两种粉体的比例制备成TiO_2薄膜.当P25和200nm的大颗粒比例为85:15制备的薄膜的光电性能最好，电池的短路电流密度达到了7.5mAcm~(-2)，光电转化效率达到了2.9%。但是这种方法制备的薄膜与导电塑料基底的结合力很差，利用ASTM（D3359）测试方法，结合力只在1B-2B之间。 （2）利用溶胶凝胶法和水热法，制备TiO_2水热浆料，将这种水热浆料涂覆在导电玻璃基片上制备成薄膜测试SEM，这种薄膜中的TiO_2颗粒的粒径普遍在20nm以下。然后将这种水热浆料作为添加剂和粘结剂加入到前面所制备的TiO_2浆料中，当P25和200nm大颗粒的比例为80:20时候制备的TiO_2薄膜光电性能最佳。研究不同氨水加入量导致不同pH下的浆料，对电池光电性能的影响。当添加了2g水热粘结剂，并且pH为4.7时候，浆料制备的TiO_2薄膜的光电性能最佳，电池的短路电流密度短路电流密度达到了短路电流密度达到了9.12mA cm~(-2)，光电转化效率达到了4.0%，但是电池的填充因子不理想，只有0.548。通过EIS分析，我们发现这种电池的电荷在电解质/染料/TiO_2薄膜三相界面处的转移电阻是最小的。另外，这种浆料的粘度也是最大的，达到了4100mPa s~(-1)，而既没有经过滴加氨水化学烧结和添加水热粘结剂的TiO_2浆料的粘度只有3300mPa s~(-1).我们分析证明TiO_2薄膜的光电性能和浆料的粘度有关联。 （3）在上述实验的基础上，利用镜面反射法改善柔性染料敏化太阳能电池的光电性能。由于实验时间和实验条件所限，我们只能将普通镜子代替反射层附加在电池的对电极背后作反射层面。我们制备的光阳极的面积大小为0.5×0.5cm~2，所以我们只将对电极制备的稍微大一点，以尽可能多的利用斜射光，面积为0.55×0.55cm~2，然后再在对电极的背后附加对电极，组装成电池，电池的短路电流密度达到了11.95mA cm~(-2)，光电转化效率达到了5%，这样的性能证明了反射层法和部分Pt对电极的成功。而未使用这两种方法的电池的短路电流密度只有9.12mAcm~(-2)，电池的光电转化效率只有4.0%。而只使用附加反射层法的电池的短路电流密度达到了10.40mAcm~(-2)，光电转化效率达到了4.6%。从EIS分析也可以看出，在对电极背后附加反射层和部分Pt对电极的电池，电荷在电解质/染料/TiO_2薄膜转移电阻是最小的，主要是由于反射光最多的原因造成的。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 二氧化钛 柔性 无高分子 水热粘结剂 镜面反射法
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 1 概论11-28
• 1.1 课题的研究背景11-12
• 1.2 柔性 DSSC 结构和工作原理12-23
• 1.2.1 柔性 DSSC 结构12-13
• 1.2.2 柔性染料敏化太阳能电池的工作原理13-18
• 1.2.3 柔性 DSSC 关键材料18-23
• 1.3 柔性 DSSC 研究现状23-26
• 1.3.1 电泳沉积法23-24
• 1.3.2 UV-O3法24
• 1.3.3 机械压力法24-25
• 1.3.4 溶胶凝胶法与水热法25
• 1.3.5 化学烧结法25-26
• 1.4 选题意义及研究内容26-28
• 2 实验部分28-38
• 2.1 材料、试剂与设备28-29
• 2.1.1 实验材料28
• 2.1.2 实验试剂28-29
• 2.1.3 实验设备29
• 2.2 柔性 DSSC 的制备29-32
• 2.2.1 基板的准备29-30
• 2.2.2 TiO_2浆料与光阳极的制备30
• 2.2.3 对电极30-31
• 2.2.4 光敏化剂与电解质溶液的制备31
• 2.2.5 柔性 DSSC 组装31-32
• 2.3 分析测试仪器32-38
• 2.3.1 场发射扫描电子显微镜32
• 2.3.2 X 射线衍射仪32-33
• 2.3.3 紫外可见分光光度计33
• 2.3.4 粘度计33-34
• 2.3.5 薄膜与基底结合力测试34
• 2.3.6 光源调试与测试条件设定34-35
• 2.3.7 I-V 曲线35-36
• 2.3.8 电化学阻抗谱（EIS）36-38
• 3 柔性 DSSC 光阳极薄膜的低温制备38-59
• 3.1 化学烧结法 TiO_2光阳极38-41
• 3.1.1 制备工艺38-39
• 3.1.2 TiO_2薄膜的结合力39
• 3.1.3 TiO_2薄膜的 SEM39-40
• 3.1.4 DSSCs 的 I-V 曲线40-41
• 3.2 水热粘结剂41-44
• 3.2.1 制备工艺41-42
• 3.2.2 水热浆料的 SEM42-44
• 3.3 化学烧结 TiO_2浆料44-58
• 3.3.1 TiO_2薄膜的机械性能46-48
• 3.3.2 TiO_2浆料 pH 值与粘度的关系48-51
• 3.3.3 TiO_2薄膜形貌51-54
• 3.3.4 光电性能54-58
• 3.4 本章小结58-59
• 4 镜面反射层在高效柔性 DSSC 中的应用59-68
• 4.1 前言59
• 4.2 实验过程59-61
• 4.2.1 对电极制备工艺59-60
• 4.2.2 DSSCs 的制备和组装60-61
• 4.3 光电性能测试61-67
• 4.3.1 电池的 I-V 曲线61-64
• 4.3.2 电化学阻抗谱64-67
• 4.4 本章小结67-68
• 5 全文总结68-69
• 致谢69-71
• 参考文献71-77
• 附录 1 攻读学位期间发表的论文目录77

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