敏化太阳能电池的性能研究

【摘要】：进入21世纪以来,染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell,即DSSC)以其简单的制备工艺、低廉的成本优势逐渐成为了最具有前景的太阳能光伏产品之一。为进一步降低DSSC的成本,提高其稳定性,人们采用无机纳米品半导体量子点替代有机的染料敏化剂,研制出了新型量子点敏化太阳能电池(Quantum-Dot sensitized Solar Cell,即QDSC),其独有的特点使其成为光伏领域的研究热点。本文重点研究了四个方面的内容： (1)基于TiO2纳米颗粒多孔薄膜光阳极的DSSC的性能研究。采用溶胶凝胶法制备TiO2纳米颗粒,并将其与松油醇、乙基纤维素等混合后制成丝网印刷用浆料,通过丝网印刷技术获得TiO2纳米颗粒多孔薄膜,控制丝网印刷的次数可获得不同厚度的TiO2纳米颗粒多孔薄膜光阳极,采用SEM、TEM、XRD研究TiO2纳米颗粒的结构以及丝网印刷所得薄膜的形貌和结构,结果表明：TiO2纳米颗粒为锐钛矿结构。粒径大小约30nm,丝网印刷的TiO2纳米颗粒多孔薄膜中纳米颗粒分布均匀并形成疏松多孔的结构。将不同厚度的TiO2纳米颗粒多孔薄膜敏化后与I-/I-3电解液和Pt对电极组装成DSSCs,通过电池的J-V特性、单色光光子电子转化效率(IPCE)、电化学阻抗谱(EIS),光强调制光电流/电压谱(IMPS/IMVS)的测试,研究TiO2纳米颗粒多孔薄膜光阳极的厚度对电池的光伏性能、电子传输与复合特性的影响。结果表明：随着TiO2光阳极厚度从5μm逐渐增加到14μm,电池的光电转换效率从3.78%逐渐增加到5.75%,光电子在光阳极中的传输时间从2.33ms逐渐增加到8.95ms,电子扩散系数从4.57×10-5cm2/s增加到14.74×10-5cm2/s, DSSC中电子传输、复合和收集的过程相互竞争和相互制约,电子的扩散能力影响着电子的收集和电池的光电转换效率；电子被陷阱和表面态的俘获/脱俘过程相互竞争影响着电子寿命和扩散系数；光电子的复合与传输相互竞争,影响着光电子的收集效率。 (2)基于TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合薄膜光阳极DSSC的性能研究。采用溶胶凝胶法制备TiO2纳米颗粒粉体,水热合成法制备TiO2纳米线粉体,将TiO2纳米颗粒粉体和TiO2纳米线粉体按不同质量比混合并制备成浆料,利用丝网印刷技术制备厚度为14μm的复合薄膜,将复合薄膜进行敏化后与I-/I-3电解液和Pt对电极组装成DSSC,通过J-V特性、IPCE、EIS、IMPS/IMVS测试,研究光阳极薄膜中TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线的质量比对电池的光伏性能、电子传输和复合特性的影响。结果表明：随着纳米线比例的上升,电池的光电转化效率先减小后增大,在TiO2纳米颗粒：TiO2纳米线为75：25时达最高为2.77%,电子在光阳极中的传输时间及电子寿命先增大后减小,当复合光阳极中纳米线的比例从50%逐渐增加到75%时,电子在光阳极中的传输时间逐渐减小,扩散系数逐渐增大,复合光阳极中纳米线的比例从25%增加到50%时,光电子在光阳极中的传输时间逐渐增加,扩散系数逐渐较小 (3)CdS量子点敏化Ti02纳米线束阵列太阳能电池的性能研究。采用水热合成技术,以盐酸、去离水和酞酸丁反应前驱物,在FTO衬底上生长TiO2纳米线束阵列,以连续离子层吸附与反应法制备CdS量子点敏化TiO2纳米线束阵列光阳极。将具有不同敏化周期的TiO2纳米线束阵列光阳极与I-/I-3电解液和Pt对电极组装成QDSC,通过对电池的J-V特性、1PCE、IMPS测试研究不同和循环敏化周期对QDSC的光伏性能以及IPCE的影响,研究了敏化的循环周期对QDSC的光伏性能和电子传输的影响规律。结果表明：随着敏化循环周期的增加,CdS量子点的大小和密度都增加,光电转化效率先增大后减小,当敏化循环的周期为15次时取得最佳光伏性能,此时电池的短路电流密度0.61mA/cm2,开路电压0.65V,填充因子0.50,光电转换效率0.20%,光电子在光阳极中的扩散系数为3.20×10-6cm2/s,传输时间为2.10×10-2s。 (4)CdS量子点敏化TiO2纳米颗粒多孔薄膜太阳能电池的性能研究。依次研究了TiO2纳米颗粒多孔薄膜的厚度、CdS量子点敏化周期数对QDSC光伏性能的影响,并比较了多硫电解液和I-/I-3电解液对QDSC的性能影响。结果表明TiO2纳米颗粒多孔薄光阳极的最佳膜厚度为14μm,最佳CdS量子点敏化周期为20次,用I-/I-3电解液组装的QDSC的稳定性较差用多硫电解液组装的QDSC虽然稳定性得到了提高,但由于Pt对于S2-与电子反应的催化能力较弱和电解液的整体性能低下,使得填充因子较低,限制了电池的光电转化效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 量子点敏化太阳能电池 TiO_2纳米材料 光伏性能 电子传输与复合
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-13
• CONTENTS13-17
• 第一章 绪论17-33
• 1.1 研究意义17-18
• 1.2 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理18-20
• 1.2.1 DSSC结构18-19
• 1.2.2 DSSC工作原理19-20
• 1.3 燃料敏化太阳能电池的研究进展20-24
• 1.3.1 DSSC光阳极21-22
• 1.3.2 染料敏化剂22
• 1.3.3 电解液22-23
• 1.3.4 对电极23-24
• 1.3.5 DSSC的产业化前景24
• 1.4 量子点敏化太阳能电池的工作原理和研究现状24-27
• 1.4.1 无机半导体量子点的特点24-25
• 1.4.2 量子点敏化太阳能电池的特点及工作原理25-26
• 1.4.3 量子点敏化太阳能电池的研究现状26-27
• 1.5 敏化太阳能电池的测试分析技术27-31
• 1.5.1 敏化太阳能电池的J-V的特性及单色光光子-电子转换效率27-28
• 1.5.2 敏化太阳能电池的电化学阻抗谱测试技术28-30
• 1.5.3 敏化太阳能电池的强度调制光电流谱/光电压谱测试技术30-31
• 1.6 本论文研究内容、目标及创新性31-33
• 1.6.1 研究内容31-32
• 1.6.2 研究目标32
• 1.6.3 创新性32-33
• 第二章 光阳极厚度和结构对DSSC性能的影响33-56
• 2.1 实验仪器及材料33-34
• 2.1.1 实验仪器33-34
• 2.1.2 实验材料34
• 2.2 TiO_2光阳极薄膜的制备及表征34-40
• 2.2.1 TiO_2纳米颗粒的制备及其结构表征34-36
• 2.2.2 TiO_2纳米线的制备及其结构表征36-37
• 2.2.3 丝网印刷制备TiO_2纳米颗粒多孔薄膜光阳极37-39
• 2.2.4 TiO_2纳米多孔薄膜的表面形貌分析39-40
• 2.2.5 TiO_2纳米线/TiO_2纳米颗粒双层结构光阳极的制备40
• 2.3 TiO_2纳米多孔薄膜光阳极的厚度对DSSC性能的影响40-52
• 2.3.1 DSSC的组装40
• 2.3.2 DSSC的光伏性能分析40-42
• 2.3.3 DSSC内部电子的传输与复合机理42-43
• 2.3.4 DSSC的电化学阻抗谱分析43-48
• 2.3.5 DSSC的强度调制光电流谱/光电压谱分析48-52
• 2.4 TiO_2纳米线/TiO_2纳米颗粒双层结构光阳极的DSSC性能研究52-54
• 2.5 本章小结54-56
• 第三章 TiO_2纳米颗粒/TiO_2纳米线复合光阳极DSSC的性能研究56-68
• 3.1 一维TiO_2纳米结构在DSSC中的应用56-57
• 3.1.1 一维TiO_2纳米结构在DSSC中的应用研究56
• 3.1.2 TiO_2纳米线的制备方法56-57
• 3.2 TiO_2纳米颗粒/TiO_2纳米线复合光阳极薄膜的制备及表征57-59
• 3.2.1 TiO_2纳米颗粒/TiO_2纳米线复合光阳极薄膜的制备57-58
• 3.2.2 TiO_2纳米颗粒/TiO_2纳米线复合光阳极薄膜的表征58-59
• 3.3 基于复合薄膜光阳极的DSSC的组装及性能分析59-66
• 3.3.1 DSSC的组装及光伏性能分析59-60
• 3.3.2 DSSC的强度调制光电流/光电压谱分析60-63
• 3.3.3 DSSC的电化学阻抗谱分析63-66
• 3.4 本章小结66-68
• 第四章 CdS量子点敏化太阳能电池的性能研究68-84
• 4.1 实验仪器及材料68-69
• 4.1.1 实验仪器68
• 4.1.2 实验材料68-69
• 4.2 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的制备69-72
• 4.2.1 TiO_2纳米线束阵列薄膜的制备69-70
• 4.2.2 TiO_2纳米线束阵列薄膜的形貌和结构分析70-71
• 4.2.3 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列薄膜光阳极的制备71-72
• 4.3 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的性能研究72-77
• 4.3.1 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列的形貌、结构及成分分析72-74
• 4.3.2 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的光伏性能分析74-76
• 4.3.3 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的电子传输特性分析76-77
• 4.4 CdS量子点敏化TiO_2纳米颗粒薄膜太阳能电池的性能研究77-82
• 4.4.1 多硫电解液的配制77
• 4.4.2 CdS量子点敏化TiO_2纳米颗粒多孔薄膜太阳能电池的组装及测试77-78
• 4.4.3 TiO_2纳米颗粒多孔薄膜光阳极的厚度QDSC光伏性能的影响78-79
• 4.4.4 敏化周期对QDSC的光伏性能的影响79-81
• 4.4.5 纳米线散射层对QDSC性能的影响81-82
• 4.5 本章小结82-84
• 全文总结与展望84-87
• 1 总结84-85
• 2 展望85-87
• 参考文献87-95
• 攻读硕士学位期间发表的论文95-97
• 致谢97

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

化学水浴沉积CdS薄膜晶相结构及性质    敖建平,何青,孙国忠,刘芳芳,黄磊,李薇,李凤岩,孙云,薛玉明

浆料组成对染料敏化多孔TiO_2太阳能电池性能的影响    康姣;胡志强;周红茹;杨冬雪;

基于4-叔丁基吡啶的染料敏化太阳电池中电子传输研究    奚小网;胡林华;刘伟庆;戴松元;

强度调制光电流谱/光电压谱及其应用    刘伟庆;胡林华;霍志鹏;戴松元;

CdSe量子点敏化纳米二氧化钛太阳电池的电化学交流阻抗谱    徐雪青;徐刚;

染料敏化太阳能电池的内部阻抗分析    王富民;巩峰;李成亮;

单晶TiO_2纳米线束阵列的合成及光电转换性能研究    葛增娴;魏爱香;刘俊;赵旺;刘传标;

染料敏化纳米ZnO薄膜太阳电池机理初探    曾隆月,戴松元,王孔嘉,史成武,孔凡太,胡林华,潘旭

染料敏化太阳能电池的研究与发展现状    于哲勋;李冬梅;秦达;孙惠成;张一多;罗艳红;孟庆波;

染料敏化太阳电池研究进展    李文欣;胡林华;戴松元;

Cs_3(HSO_4)_2(H_2PO_4)的制备及其导电性研究    赵国燕;郭金福;卢印;

NaCl介质中AZ31镁合金的动态电化学腐蚀行为研究    李凌杰;于生海;雷惊雷;何建新;王敬丰;潘复生;

纳米结构材料在太阳电池中的应用    郭延岭;马蕾;张志刚;娄建忠;彭英才;

共蒸发三步法制备CIGS薄膜的性质    敖建平;孙云;王晓玲;李凤岩;何青;孙国忠;周志强;李长健;

Cu(In,Ga)Se_2太阳电池缓冲层ZnS薄膜性质及应用    刘琪;冒国兵;敖建平;

碳化硼的改性及其在有机硅树脂中的应用    徐正彬;贾梦秋;

防腐阻燃型玻璃鳞片/环氧树脂涂料的性能    李晶;黄丽;

Ag@SiO_2纳米复合涂层在大肠杆菌作用下的电化学阻抗谱研究    张新生;王洁欣;乐园;陈建峰;

钛合金TC4塑性变形后在3%NaCl溶液中的交流阻抗谱    姜应律,吴荫顺

镁合金涂装体系盐雾条件下失效过程的电化学阻抗谱特征    涂运骅,高瑾,李久青,张薇

阴极保护电位对Q235钢氢脆敏感性和力学性能的影响    高志明;文丽娟;

阴极保护对Q235钢空泡腐蚀行为影响的研究    刘洋洋;高志明;王震;

聚二乙烯基乙炔的氢氯化改性    陶长元;薛红涛;刘作华;杜军;范兴;刘仁龙;

基于电学方法的再制造零部件缺陷检测与寿命预测应用基础研究    康嘉杰;徐滨士;王海斗;王成彪;

在PI衬底上制备CdS薄膜及其性能表征    李巍;方小红;

模拟深海环境中环氧粉末涂层失效行为研究    唐俊文;邵亚薇;张涛;孟国哲;王福会;

氧化铝合金在空化作用下的腐蚀电化学行为    雍兴跃;侯纯扬;武杰;张正;李栋梁;汪磊;李斌;

潮汐发电贯流电机用钢阴极保护时的电化学阻抗谱和表面力学特征    高志明;林峰;宋诗哲;

NASICON固体电解质的制备及其导电性能研究    胡艳琴;王运福;宋玉哲;韩根亮;李工农;刘国汉;

Gd掺杂CeO_2固体电解质的电化学特性研究    吴翔;周贞;简家文;

海洋优势菌种附着腐蚀Fe_3Al及其复合材料界面与机理研究    常雪婷

涉海抗菌耐蚀性TiO_2复合薄膜的制备及其性能研究    王洪芬

改性纳米二氧化钛薄膜制备及其在模拟海水中光生阴极保护性能研究    王爱萍

电沉积制备铜铟硒薄膜太阳能电池及纳米线的生长与性质研究    张中伟

锗在锌电积中的行为及添加剂作用的研究    刘春侠

咪唑基离子液体在锌电沉积中的作用机理研究    张启波

用于有机磷农药残留检测的免疫生物传感器的研究    蒋雪松

用于农药残留检测的压电免疫生物传感器的研究    黄君冉

不锈钢表面氮掺杂二氧化钛薄膜的制备及其性能研究    王鹤峰

固体氧化物燃料电池阳极及连接材料的制备与性能研究    沈羽

纳米TiO_2的表面改性及其对聚氨酯涂层耐蚀性能的影响    庞宇

奥氏体不锈钢点蚀行为的研究    徐珊

红壤土壤腐蚀直接、连续监测技术的研究    李新义

钛合金精密腐蚀加工工艺及机理研究    梁静

高压扭转工艺对生物镁锌钙合金组织及性能的影响    任振伟

聚苯胺对镁合金环氧防护涂层耐蚀性能的影响    张颖君

缝隙和静水压力环境对316L不锈钢腐蚀行为的影响    丛园

三电极电化学传感器等效电路模型的研究    李瑞

染料敏化太阳能电池电极改性研究    石德晖

树脂炭包覆微晶石墨作锂离子电池负极材料研究    徐乐

CdS薄膜的制备及其性能    黎兵,冯良桓,郑家贵,蔡亚平,蔡伟,李卫,武莉莉

ITO上磁控溅射ZnO薄膜及其光电性质    张金星;曹传宝;朱鹤荪;

量子点太阳电池的探索    彭英才;傅广生;

ECAP温变形碳素钢中铁素体晶粒的细化机制    冯广海;杜忠泽;王经涛;赵西成;

利用强度调制光电流谱研究TiO_2薄膜中染料不均匀分布现象    刘伟庆;戴松元;胡林华;戴俊;方霞琴;徐炜炜;

强度调制光电流谱研究纳晶CdSe薄膜电极的界面电荷转移过程    张敬波,林原,尹峰,肖绪瑞

形变方式对模压形变H62黄铜组织的影响    张萤;彭开萍;林雪慧;

模具结构对反复模压变形5052铝合金显微组织的影响    杨开怀;彭开萍;陈文哲;

大体积超细晶金属材料的剧烈塑性变形法制备技术    杨开怀;陈文哲;

一维纳米TiO_2的水热法制备及其在DSCs电池中的应用    赵静;李媛;蔡宁;张晓丹;熊绍珍;赵颖;

扣人心弦的新一代台湾光阳极光250    吴正权

用于电化学太阳电池的几种多晶n-CdS光阳极特性的研究    傅宏达,宋天平,张伯荣,糜天英

CuInS_2、CuInSe_2及其固溶体作光阳极的光电化学太阳电池的研究    邓恩慈

电沉积Pt微岛对单晶n-Si光阳极行为的影响    范宏斌,范钦柏,邓薰南

新一代光阳极光250踏板车简介    吴锋

半导体-电解液光电极体系研究 Ⅴ.聚苯胺膜对半导体光阳极的保护作用    宋天平,王玉江,糜天英

染料敏化太阳能电池纳晶TiO_2多孔薄膜研究进展    尹艳红;薛载坤;杨宝宁;杨书廷;

聚乙烯亚胺对ZnO纳米线阵列膜的形貌和光电性能的影响    杨伟光;万发荣;姜春华;陈思维;

CdS敏化TiO_2纳米管的制备和性能研究    程浩;隋小涛;赵修建;

使用不对称矩形脉冲电流沉积n-CdTe薄膜光阳极    庞仁德,邓薰南

基于氮掺杂的高活性二级分叉氧化锌四角叉结构的光阳极在光电化学制氢的应用    丘勇才;杨世和;

染料敏化太阳能电池用三维海胆状ZnO微纳结构光阳极的合成与光电转换性能研究    张新华;陈翌庆;程银芬;

金属有机框架在染料敏化太阳能电池界面调控中的应用    李亚峰;魏明灯;

具有高光捕获能力的染料敏化太阳能电池TiO_2光阳极    李春辉;罗艳红;李冬梅;糜建立;Lasse Sф;Peter Hald;孟庆波;Bo B.Iversen;

低温两步法合成掺杂型纳米晶TiO_2光阳极及其电池性能分析    许程;苏奎;唐成;

一维多级纳米结构TiO2光阳极染料敏化太阳能电池    林昌健;郑大江;叶美丹;吕妙强;郭文熹;

染料敏化太阳电池光阳极薄膜的研究进展    郭晓伟;陈改荣;王辉;苗超林;苗郁;曹志民;

利用在导电玻璃上直接生长的有序的二氧化钛纳米棒阵列作为光阳极制备固态染料敏化太阳能电池    白杰;鲁建峰;徐晓宝;李志鸿;曹昆;崔金;王鸣魁;

TiO_2光阳极TiCl_4处理的电荷传输动力学研究    邓明晖;黄姝青;罗艳红;李冬梅;孟庆波;

纳米复合结构的制备及其光伏行为    翟锦;赵勇;衡利苹;盛显良;江雷;

染料敏化太阳能电池更高效    张宁

未来主导：染料敏化太阳能电池    本报记者 滕继濮

染料敏化太阳能电池专利申请分析    素白

聚合物基柔性染料敏化太阳能电池光阳极的性能优化    赵晓冲

TiO_2基染料敏化太阳能电池光阳极薄膜结构的设计与调控    程鹏飞

TiO_2光阳极优化及其吡咯并吡咯二酮和联噻唑类敏化剂性能研究    郭福领

高效率染料敏化太阳能电池的电荷传输与复合机理研究    郝锋

染料敏化太阳能电池光阳极研究    向鹏

基于微/纳结构Zn、Sn基氧化物的染料敏化太阳能电池光阳极制备、性能研究    李政道

染料敏化太阳能电池光阳极的制备、性质和光电转换机理研究    程辉

染料敏化太阳能电池光阳极TiO_2薄膜的制备及改性研究    曾宪光

基于氧化物薄膜的光电器件及电阻转变行为研究    王晓祺

新型高效叠层及复合染料敏化太阳能电池研究    苗青青

染料敏化太阳能电池光阳极的性能研究    刘懿平

柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究    程存喜

染料敏化太阳能电池光阳极的改性    周兴

染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的优化    杨广涛

染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究    高峰

钛基板光阳极染料敏化太阳能电池的研究    汪咏梅

染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究    夏咏梅

染料敏化太阳能电池光阳极的光电化学性质研究    刘润花

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    戴国田

染料敏化太阳能电池光阳极及其优化研究    刘玲