三维微结构衬底的设计、制备及在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell,DSSC)由于其制备工艺的简便性、成本低廉等优势,获得了广泛的关注。然而,染料敏化太阳能电池在光的捕获和载流子输运等方面尚有很大的提升幅度,这使得电池的效率远没有达到理论效率。本论文针对提高电池的光捕获和载流子输运性能提出了新型的三维微结构衬底设计方案,主要研究分为以下两个方面： (1)设计了新型尖劈微结构衬底以提高电池的光捕获性能 基于实验室一种新型管道腐蚀光纤阵列制备尖劈微结构的方法,引入热压、溶胶凝胶水解缩合工艺复制尖劈微结构,得到高度、最近距离可调的尖劈微结构玻璃衬底。相较于平板型衬底,所得到的尖劈微结构衬底由于其特有的渐锥形结构,能起到对入射光传播方向的调制作用,对入射光进行多次反射与折射,提高了增加了入射光在电池活性介质中的光程,最终提升电池的光捕获性能；同时,此方法成本低廉,可选择不同尺度、结构的原始模板制备不同用途的图案化玻璃衬底。 (2)在电池中引入图案化衬底以提高载流子的收集性能 实验研究了图案化衬底引入染料敏化电池后对电池性能的影响。通过溅射、光刻、湿法刻蚀等工艺,制备得到了周期、高度可调的图案化衬底。制得的图案化衬底的周期与电池中载流子的扩散自由程相匹配；图案化衬底的高度与电池的涂覆厚度相匹配。实验结果表明,引入图案化衬底之后,载流子的浓度梯度从二维转变为三维,载流子在扩散自由程之内可以被探针微结构导入外电路中,电池的量子效率和短路电流密度相比于平板型衬底电池得到提升。图案化衬底的引入与现阶段电池中的主要改进手段完全不冲突,本论文提供了一种不引入其它材料和介质的电池性能提升方法。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 尖劈阵列 溶胶凝胶 热压 图案化衬底 光捕获 载流子收集
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 前言10-17
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 问题的提出11-13
• 1.3 本文的工作13-15
• 参考文献15-17
• 第二章 染料敏化电池中提高光子与载流子收集效率的研究现状17-32
• 2.1 染料敏化电池结构与原理17-20
• 2.2 电池中提升光吸收与电子收集性能方法20-26
• 2.2.1 提升光吸收方法研究现状20-22
• 2.2.2 提升载流子收集性能研究现状22-23
• 2.2.3 微结构提升电池性能研究现状23-26
• 参考文献26-32
• 第三章 实验与表征方法32-44
• 3.1 衬底准备32-34
• 3.1.1 清洗32-33
• 3.1.2 对电极制孔33-34
• 3.2 电池制备34-39
• 3.2.1 TiO_2光阳极制备35-37
• 3.2.2 染料吸附37
• 3.2.3 对电极溅射金属铂37-38
• 3.2.4 电解液吸附与电池封装38-39
• 3.3 电池性能表征39-43
• 3.3.1 电池厚度测量39-40
• 3.3.2 吸收、透射谱测量40-41
• 3.3.3 电池J-V曲线的测量41-42
• 3.3.4 电池量子效率的测量42-43
• 参考文献43-44
• 第四章 新型尖劈微结构衬底的设计、制备与表征44-66
• 4.1 电池中引入尖劈微结构衬底研究思想44-46
• 4.2 尖劈微结构研究概述46-47
• 4.3 石英尖劈阵列模板的制备与表征47-51
• 4.4 PMMA倒尖劈模板的制备与表征51-56
• 4.5 溶胶凝胶法复制尖劈微结构以及性能表征56-62
• 4.6 小结62-63
• 参考文献63-66
• 第五章 新型电子集流体衬底的设计、制备及电池性能66-93
• 5.1 电池中引入图案化衬底研究思想66-68
• 5.2 图案化衬底的制备与表征68-69
• 5.2.1 光刻掩模板设计68-69
• 5.2.2 衬底材料腐蚀速率的测量及腐蚀时间的确定69
• 5.3 微结构图案化衬底的制备与表征69-84
• 5.4 图案化衬底表面导电层的制备84-85
• 5.5 图案化衬底对电池性能的影响85-90
• 5.5.1 基于自行制备ITO层的图案化衬底电池性能分析85-89
• 5.5.2 基于蒸镀ITO层的图案化衬底电池性能分析89-90
• 5.6 小结90-91
• 参考文献91-93
• 第六章 总结与展望93-94
• 攻读硕士学位期间论文发表94-95
• 致谢95-96

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