染料敏化太阳能电池双层复合薄膜光阳极的制备与性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells, DSSCs)是一种新型的电化学太阳能电池,因其具有低成本、高效率、质量轻、制备过程简单、环境无污染等诸多优点而受到广泛关注。纳米晶Ti02薄膜电极是DSSCs的一个重要组成部分,光捕获效率,电子的传输和收集,不希望的暗电流等都和Ti02光阳极有着密切的关系。在本论文中,我们主要围绕着提高Ti02光电极的比表面,增强光电极的光捕获效率,促进电子的传输和转移和降低不希望的暗电流,合成了Ti02纳米棒阵列,海绵状TiO2, TiO2空心球,Ti02纳米片。通过它们组建了三种不同构型的Ti02双层复合薄膜电极,并研究了它们在DSSCs中的应用。主要内容及结论如下： (1)以Ti02纳米棒阵列薄膜(TiO2nanorod arrays, TiO2-RA)为下层,以Ti02空心球(TiO2hollow spheres, TiO2-HS)为上层,成功制备了TiO2-RA/TiO2-HS双层复合薄膜电极。研究了TiO2-RA电极,TiO2-HS电极和TiO2-RA/TiO2-HS双层复合薄膜电极的光电性能,它们的光电转换效率分别为0.99%,3.93%和4.57%。TiO2-RA/TiO2-HS双层电极提高光电转换效率的原因可以归结为两种不同Ti02形貌的协同作用,即:TiO2-HS上层薄膜可以有效的吸附染料分子；TiO2-RA下层薄膜增强了光阳极的光吸收强度,促进了电子的传输,同时减小了暗电流。 (2)通过水热法制备了分等级海绵状大孔/介孔二氧化钛(hierarchically sponge-like macro-/mesoporous TiO2),所制备的HSMM-TiO2样品不仅具有快速的电子传输和电解质扩散性能,而且表现出强烈的光散射能力,是很好的DSSCs光阳极材料。为了改善HSMM-TiO2薄膜电极与FTO导电玻璃表面的接触性能,我们提出在HSMM-TiO2薄膜与FTO导电玻璃之间引入了一层由Ti02纳米小颗粒(P25)构成的薄膜。所设计的HSMM-TiO2/P25双层薄膜电极获得了更高的光电效率(5.48%),相比于P25电极的3.62%提高了51.4%；相比于HSMM-TiO2电极的4.31%提高了27.1%。 (3)以二氧化钛纳米片(TiO2nanosheets, TiO2-NS)和二氧化钛空心球(TiO2-HS)为材料,设计出TiO2-NS/TiO2-HS双散射薄膜电极。通过BET比表面积和紫外-可见漫反射光谱测试发现,TiO2-NS/TiO2-HS双散射薄膜电极具有很大的比表面积和加强的光散射能力。此外,TiO2-HS底层可以改善电极与FTO导电玻璃的电接触性能。因此,TiO2-NS/TiO2-HS电极最终得到了较高的效率5.08%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 双层复合薄膜 比表面 光散射 电子传输
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 前言11
• 1.2 太阳能电池的类别11-17
• 1.2.1 硅基太阳能电池11-12
• 1.2.2 无机化合物半导体太阳能电池12-13
• 1.2.3 有机/聚合物太阳能电池13-14
• 1.2.4 染料敏化纳米晶太阳能电池14-17
• 1.3 染料敏化太阳能电池的基本结构,工作原理及性能参数17-23
• 1.3.1 DSSCs的基本结构17-18
• 1.3.2 DSSCs的工作原理18-19
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池的性能参数19-23
• 1.3.3.1 单色光光电转换效率20-21
• 1.3.3.2 短路电流密度21
• 1.3.3.3 开路电压21
• 1.3.3.4 填充因子21-22
• 1.3.3.5 DSSCs总的光电转化效率22
• 1.3.3.6 光电流密度-光电压曲线22-23
• 1.4 染料敏化太阳能电池半导体薄膜光阳极的研究进展23-30
• 1.4.1 薄膜光阳极的制备方法23-26
• 1.4.1.1 丝网印刷法23-24
• 1.4.1.2 刮涂法24-25
• 1.4.1.3 磁控溅射法25
• 1.4.1.4 电化学法25-26
• 1.4.2 染料敏化太阳能电池TiO_2膜电极的改性26-30
• 1.4.2.1 纳米TiO_2薄膜电极的表面修饰26-27
• 1.4.2.2 离子掺杂27-28
• 1.4.2.3 纳米TiO_2薄膜电极的形貌设计28-29
• 1.4.2.4 纳米TiO_2复合薄膜电极29-30
• 1.5 本论文的研究目的和研究内容30-31
• 第二章 TiO_2纳米棒阵列/TiO_2空心球双层薄膜电极的制备及其在DSSCs中应用31-45
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验部分32-35
• 2.2.1 水热法制备TiO_2纳米棒阵列薄膜32
• 2.2.2 TiO_2空心球粉末的制备32
• 2.2.3 TiO_2纳米棒阵列/TiO_2空心球双层复合膜电极的制备32-33
• 2.2.4 样品的表征33-34
• 2.2.5 电池的组装及性能测试34-35
• 2.2.5.1 电池的组装34-35
• 2.2.5.2 染料敏化太阳能电池光电性能测试35
• 2.3 结果与讨论35-43
• 2.3.1 相结构与形貌35-39
• 2.3.2 TiO_2薄膜电极的吸收谱分析39-40
• 2.3.3 三种TiO_2薄膜电极光电性能的比较40-42
• 2.3.4 三种薄膜电极的交流阻抗分析42-43
• 2.4 本章小结43-45
• 第三章 分等级海绵状大孔/孔TiO_2的制备及其在DSSCs中应用45-57
• 3.1 引言45-46
• 3.2 实验部分46-47
• 3.2.1 HSMM-TiO_2的制备46
• 3.2.2 三种不同TiO_2薄膜电极的制备46-47
• 3.2.3 样品的表征47
• 3.2.4 电池的组装及性能测试47
• 3.3 结果与讨论47-56
• 3.3.1 样品的相结构与形貌47-50
• 3.3.2 样品BET比表面与孔分布研究50-51
• 3.3.3 三种薄膜电极的漫反射光谱分析51-52
• 3.3.4 三种薄膜电极的光电性能分析52-54
• 3.3.5 三种电极的EIS测试分析54-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第四章 TiO_2纳米片/TiO_2空心球双散射薄膜电极的制备及其在DSSCs中的应用57-66
• 4.1 引言57-58
• 4.2 实验部分58-59
• 4.2.1 TiO_2空心球粉末的制备58
• 4.2.2 二氧化钛纳米片的制备58
• 4.2.3 三种TiO_2薄膜电极的制备58
• 4.2.4 样品的表征58
• 4.2.5 电池的组装及性能测试58-59
• 4.3 结果与讨论59-65
• 4.3.1 样品的形貌与相结构59-61
• 4.3.2 Ti02纳米片和TiCb空心球的BET比表面与孔分布研究61-62
• 4.3.3 三种薄膜电极的漫反射光谱分析62-64
• 4.3.4 三种薄膜电极的光电性能分析64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-80
• 附录：攻读硕士期间的研究成果80-81
• 致谢81

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