基于钛基底的高效染料敏化太阳能电池的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell, DSSC)是一种低成本,环境友好,制备工艺简单的新型太阳能电池,被认为是可以取代硅太阳能电池能够广泛应用。柔性可弯曲DSSC的研究更能够开拓其应用范围及市场。由于金属钛(Ti)箔具有耐高温性,低电阻性,耐腐蚀性以及轻便可弯曲等优点,已被应用于柔性DSSC的基底材料。本文详细研究了Ti箔作为光阳极基底和对电极基底材料制备的高效小面积及大面积DSSC。 首先,以Ti箔作为光阳极基底,研究了化学处理对它表面形貌及电池效率的影响。使用酸+双氧水+四氯化钛处理时,在Ti箔表面形成分层结构,上层为二氧化钛(TiO2)纳米森林结构,下层为TiO2纳米粒子层,厚度分别是200nm和600nm。基于纳米森林结构的全柔性Ti箔DSSC效率达到8.46%。表征考察了TiO2纳米森林层的作用,发现它对染料吸附量、电子传递和收集效率,抑制电子复合等方面有着积极的作用。制备了简单廉价的P25浆料,基于其的全柔性Ti基底DSSC效率达到7.8%。 其次,以Ti箔作为对电极基底,通过简单的酸处理除去表面氧化物,制备出效率相当于溅射Pt的Ti/Pt对电极。研究了不同气体氛围烧结对Ti/Pt对电极的影响,发现烧结中N2保护是必要的,而空气烧结后对电极性能差的原因主要是表面TiOx的形成阻碍了电子向外传递。制备出效率可达8.81%的Ti/Pt对电极,相应的FTO/Pt为8.53%。 最后,制备了活性面积2.7cm2的Ti光阳极,导电塑料(ITO/PEN)对电极全柔性DSSC,效率达到6%以上,并在1000h内性能保持稳定。制备出活性面积为16.2cm2的Ti基底大面积DSSCc其中,以Ti箔作为光阳极,ITO/PEN为对电极的全柔性电池效率达到4.73%；以Ti箔作为光阳极,FTO(掺杂氟的SnO2导电玻璃)为对电极的半柔性电池效率达到4.58%；以Ti基底为对电极,FTO为光阳极的半柔性电池效率达到4.76%。 【关键词】：高效 化学处理 染料敏化太阳能电池 柔性 钛基底
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-33
• 1.1 课题的研究背景10-11
• 1.2 DSSC的结构及工作原理11-16
• 1.2.1 DSSC的结构11-12
• 1.2.2 DSSC的工作原理12-13
• 1.2.3 DSSC的电极,敏化剂及电解质13-16
• 1.3 钛箔光阳极DSSC的研究现状16-26
• 1.3.1 TiO_2纳米粒子薄膜16-21
• 1.3.2 TiO_2一维纳米结构薄膜21-24
• 1.3.3 TiO_2复合结构薄膜24-26
• 1.4 钛箔对电极DSSC的研究现状26-29
• 1.5 钛箔大面积DSSC的研究现状29-31
• 1.6 课题研究内容及意义31-33
• 2 实验方法33-41
• 2.1 材料、试剂与设备33-34
• 2.1.1 实验材料33
• 2.1.2 实验试剂33
• 2.1.3 实验设备33-34
• 2.2 DSSC的制备34-37
• 2.2.1 基底的准备35
• 2.2.2 光阳极浆料的制备35
• 2.2.3 光阳极的制备与敏化35-36
• 2.2.4 对电极的制备36
• 2.2.5 电池的封装36
• 2.2.6 电解液的灌注36-37
• 2.3 分析测试方法37-41
• 2.3.1 紫外可见吸收光谱(UV-VIS)37
• 2.3.2 X射线衍射分析(XRD)37
• 2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)37
• 2.3.4 透射电子显微镜(TEM)37-38
• 2.3.5 光电化学特性测试(Ⅰ-Ⅴ)38-39
• 2.3.6 射单色光子-电子转化效率(IPCE)39
• 2.3.7 电化学阻抗谱(EIS)39-40
• 2.3.8 循环伏安测试(CV)40-41
• 3 基于Ti基底光阳极器件的高效性研究41-55
• 3.1 化学法处理钛基底41-45
• 3.1.1 三种化学处理方式41-42
• 3.1.2 钛基底XRD表征42
• 3.1.3 钛基底SEM表征42-44
• 3.1.4 AHT处理钛基底TEM表征44-45
• 3.2 适于钛基底浆料的制备和表征45-47
• 3.2.1 不同浆料的Ⅰ-Ⅴ表征45-46
• 3.2.2 P25浆料的优化及表征46-47
• 3.3 刚性电池(FTO对电极)的制备和表征47-48
• 3.3.1 小面积电池的制备47
• 3.3.2 四氯化钛处理TiO_2膜对电池效率的影响47-48
• 3.4 全柔性电池(ITO/PEN对电极)的制备和表征48-53
• 3.4.1 高效小面积电池的制备48
• 3.4.2 Ⅰ-Ⅴ及IPCE表征48-50
• 3.4.3 EIS表征50-52
• 3.4.4 CV表征52-53
• 3.5 本章小结53-55
• 4 基于Ti基底对电极器件的高效性研究55-63
• 4.1 化学法处理钛基底55-57
• 4.1.1 酸浓度对钛基底粗糙程度的影响55
• 4.1.2 氮气,空气烧结钛基底XRD表征55-56
• 4.1.3 氮气,空气烧结钛基底SEM表征56-57
• 4.2 高效Ti箔对电极的制备57-60
• 4.2.1 两种制铂方法(喷涂法,浸泡法)57-58
• 4.2.2 高效Ti箔对电极电池的制备及Ⅰ-Ⅴ表征58-60
• 4.3 钛网对电极的制备及表征60-62
• 4.3.1 钛网对电极的制备60-61
• 4.3.2 全钛电池的制备61
• 4.3.3 全钛电池的J-V表征61-62
• 4.4 本章小结62-63
• 5 大面积钛基底电池器件制备及高效化研究63-71
• 5.1 全柔性Ti光阳极,ITO/PEN对电极器件63-67
• 5.1.1 活性面积2.7cm~2电池制备63
• 5.1.2 活性面积2.7cm~2电池优化63
• 5.1.3 活性面积2.7cm~2电池的I-V表征63-65
• 5.1.4 活性面积2.7cm~2电池的稳定性测试65-66
• 5.1.5 活性面积16.2cm~2电池制备66
• 5.1.6 活性面积16.2cm~2电池的J-V表征66-67
• 5.2 大面积半柔性Ti光阳极,FTO对电极电池器件67-68
• 5.2.1 活性面积16.2cm~2电池制备67
• 5.2.2 活性面积16.2cm~2电池的J-V表征67-68
• 5.3 大面积半柔性FTO光阳极,Ti对电极电池器件68-69
• 5.3.1 活性面积16.2cm~2电池的制备68
• 5.3.2 活性面积16.2cm~2电池的J-V表征68-69
• 5.4 本章小结69-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

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