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具有纳米管阵列界面层的钛基柔性染料敏化太阳能电池的制备及性能

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 22:06:15
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具有纳米管阵列界面层的钛基柔性染料敏化太阳能电池的制备及性能【摘要】:染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells, DSSCs)以光电转化效率高、制备

【摘要】:染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells, DSSCs)以光电转化效率高、制备工艺简单、价格低廉等优点引起了各国研究者的高度关注。为了拓宽染料敏化太阳电池的应用领域,科学家们尝试利用轻便可弯折的柔性导电基板代替重量大、易破碎、昂贵的镀有铟锡金属氧化物导电层的玻璃来制备DSSCs。一般常用的柔性基板是聚合物导电基板,但是由于聚合物基板的热稳定性不够,在其上制备的光阳极不能高温烧结,导致二氧化钛纳米晶颗粒之间连接性不够,电池性能不够好。导电性优异且耐电解液腐蚀的钛箔用作光阳极基板,可耐受高温烧结,光从对电极面照射到电池,即可克服金属不透光的缺点。此外,金属钛箔基板与多孔二氧化钛纳米晶薄膜难以形成牢固的界面结合。因此,如何通过物理化学方法增加金属钛箔基板与多孔氧化物之间的结合力也是增加电池性能的有效手段。 针对以上问题本文开展了以下几个方面的研究: (1)以高透过率的ITO-PET为对电极基板,利用离子溅射法制备出高透过率(60%-85%:400-800nm)高催化活性的柔性Pt对电极,比较了不同溅射条件下制备的柔性染料敏化太阳能电池的I-V性能。当溅射时间为20s时,DSSCs的光电转换效率最高,为4.0%。 (2)利用阳极氧化法,分别在NH4F和HF这两种电解液体系中在钛箔基板上成功制备了结构规整有序的高密度TiO2纳米管阵列。结合TiO2纳米管阵列的形成机理,考察了不同电解液体系中不同阳极氧化电压和不同阳极氧化时间对纳米管阵列形成的影响。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)可发现,NH4F电解液体系制备得到的TiO2纳米管阵列厚度约在1.3-3μm左右,管径约在60-70nm左右,HF电解液体系制备得到的TiO2纳米管管径约在60-70nm,厚度约在150-285nm。 (3)利用离子溅射制备的高催化活性高透过性的Pt电极作为对电极,经阳极氧化处理的钛箔作为光阳极基板,组装成DSSCs电池。TiO2纳米晶薄膜厚度对背面照射的染料敏化太阳能电池性能有明显影响,当丝网印刷层数为8层时,膜厚为17μm,电池性能最佳。分析并比较了不同氧化条件形成的TiO2纳米管阻挡层对所制备的柔性DSSC的光电性能的影响,发现在NH4F体系中,当阳极氧化时间为60min,电压为30V时得到的TiO2纳米管阻挡层制备的电池的光电转换效率最高,达到了5.1%;在HF体系中,当阳极氧化时间为60min,电压为60V时得到的TiO2纳米管制备的电池的光电转换效率最高,为4.9%。利用TiCl4溶液处理TiO2纳米管阻挡层,可修复纳米管表面的缺陷,增加电子传递速率。经TiCl4溶液处理的NH4F电解液得到的TiO2纳米管阻挡层组装成的DSSCs,其光电转化效率由5.1%提高到了5.4%。同样,HF电解液得到的TiO2纳米管阻挡层经TiCl4溶液处理后组装成的DSSCs,其光电转化效率由4.9%提高到了5.0%。 【关键词】:染料敏化太阳能电池 铂对电极 二氧化钛纳米管 阻挡层 阳极氧化
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TM914.4
【目录】:
  • 摘要5-8
  • ABSTRACT8-12
  • 第一章 绪论12-24
  • 1.1 引言12-13
  • 1.2 柔性染料敏化太阳能电池的结构及工作原理13-16
  • 1.2.1 柔性染料敏化太阳能电池的结构13
  • 1.2.2 柔性染料敏化太阳能电池工作原理13-15
  • 1.2.3 柔性染料敏化太阳能电池的性能参数15-16
  • 1.3 柔性基板的的研究进展16-18
  • 1.3.1 柔性高分子导电薄膜基板16-17
  • 1.3.2 金属箔基板17-18
  • 1.4 一维TiO_2纳米材料在染料敏化太阳能电池的应用18-19
  • 1.5 柔性对电极的研究现状19-22
  • 1.5.1 化学还原法20
  • 1.5.2 磁控溅射法20-21
  • 1.5.3 电泳沉积法21-22
  • 1.6 本文研究的内容与目的22-24
  • 1.6.1 课题的提出22-23
  • 1.6.2 研究内容23-24
  • 第二章 高透过率高活性的柔性Pt/ITO-PET对电极的制备及其表征24-35
  • 2.1 实验部分24-26
  • 2.1.1 主要试剂和材料24
  • 2.1.2 表征手段24-25
  • 2.1.3 实验过程25-26
  • 2.2 结果与讨论26-33
  • 2.2.1 柔性Pt/ITO-PET对电极的表面形貌分析26-27
  • 2.2.2 柔性Pt/ITO-PET对电极的透过率分析27
  • 2.2.3 柔性Pt/ITO-PET对电极的光电性能分析27-30
  • 2.2.4 溅射制备的Pt/ITO-PET柔性对电极与刚性对电极的光电性能比较30-33
  • 2.3 本章小结33-35
  • 第三章 阳极氧化法制备一维TiO_2纳米管阻挡层35-43
  • 3.1 实验部分35-36
  • 3.1.1 主要试剂和材料35
  • 3.1.2 表征手段35
  • 3.1.3 实验过程35-36
  • 3.2 结果与讨论36-41
  • 3.2.1 阳极氧化法制备一维TiO_2纳米管阵列的生长机理36-37
  • 3.2.2 一维TiO-2纳米管阵列的形貌与结构表征37-41
  • 3.3 本章小结41-43
  • 第四章 含一维TiO_2纳米管阻挡层的柔性DSSC的制备及其表征43-63
  • 4.1 实验部分43-44
  • 4.1.1 主要试剂和材料43
  • 4.1.2 表征手段43
  • 4.1.3 实验过程43-44
  • 4.2 结果与讨论44-62
  • 4.2.1 TiO_2纳米晶薄膜的厚度对DSSC性能的影响45-48
  • 4.2.2 不同阳极氧化条件形成的TiO_2纳米管对DSSC的影响48-52
  • 4.2.3 不同阻挡层对DSSC性能的影响52-60
  • 4.2.4 TiCl_4处理TiO_2纳米管阻挡层对DSSC性能的影响60-62
  • 4.3 本章小结62-63
  • 第五章 全文总结63-64
  • 参考文献64-71
  • 附录一:硕士期间发表的论文及专利71-72
  • 致谢72


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