染料敏化太阳能电池的制备及结构优化

【摘要】：染料敏化纳米晶太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells，DSSC),因其低廉的成本、丰富的资源、简单的制作工艺、稳定环保的性能以及接近商业化的光电转换效率等优势，吸引了世界各国科学家及企业进行基础研究和产业开发。传统的DSSC是在光阳极透明导电玻璃（如TCO/ITO/FTO等）上，通过一定的制备方法制备一层多孔纳晶氧化物薄膜，然后，在薄膜上吸附大量光敏染料，并选用适当的氧化还原电解质制成一种类似夹心三明治结构的DSSC。 本文提出了一种在DSSC的制备过程中共构设计的方法，即TiO_2双层纳米晶薄膜电极与背板反射共构染料敏化太阳能电池的设计方法，运用该方法，进行了DSSC的工艺结构设计，并通过XRD与SEM图像对双层纳米晶TiO_2薄膜进行了结构和形貌表征。首先用丝网印刷技术将制备的大小颗粒双层纳米晶TiO_2薄膜印制在导电玻璃（FTO）上，浸泡N3染料后，用作DSSC电池的光阳极，与涂铂的透明导电玻璃(FTO)的对电极组装成电池，并研究了该组装电池的光电性能。通过实验测试，将电池的光电性能与传统结构DSSC进行比较,得出了该设计方法的先进性和可行性。 在染料敏化太阳能电池的光阳极，多孔纳米TiO_2膜作为光阳极的研究已经比较成熟，TiO_2纳米管的研究报道相对较少，基于Ti片的背光式纳米管染料敏化太阳能由于结构上的先天不足，太阳光从对电极一面射入时要经过镀铂层以及电解质溶液，使部分太阳光在此过程中被反射从而降低了入射光的强度，为了解决这一结构上的缺陷，本文将尝试使用磁控溅射的方法在导电玻璃（FTO）表面镀一层纯Ti膜，然后对Ti膜进行阳极氧化从而制备出有序排列的TiO_2纳米管，再将此纳米管阵列作为光阳极，组装成直射式DSSC，继而研究其电池的光电性能。 综上所述，本文提出两种对染料敏化太阳能电池结构上的改进和优化都使电池的光电性有了进一步的提高，相信染料敏化太阳能电池会有更大的发展前景。 【关键词】：DSSC 纳晶TiO_2 阳极氧化法 TiO_2纳米管 光电转换效率
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太阳能电池的分类及发展状况13-16
• 1.3 染料敏化太阳能电池的结构原理及发展进程16-20
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池发展概述16-17
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的基本结构及工作原理17-20
• 1.4 染料敏化太阳能电池的各部分机理组成20-23
• 1.4.1 半导体多孔薄膜20-21
• 1.4.2 染料敏化剂21-22
• 1.4.3 电解质22-23
• 1.4.4 光阴极23
• 1.6 本论文的选题依据及研究内容23-25
• 1.6.1 论文选题依据23-24
• 1.6.2 论文研究内容24-25
• 第二章 实验部分25-38
• 2.1. 实验试剂及实验设备25-26
• 2.1.1 实验试剂及药品25
• 2.1.2 实验仪器及设备25-26
• 2.2 制备双层 TIO_2纳米晶薄膜及镀银共构结构太阳能电池26-29
• 2.2.1 制备双层 TiO_2纳米晶薄膜26-28
• 2.2.2 DSSC 对电极的处理28
• 2.2.3 共构设计的染料敏化太阳能电池的组装28-29
• 2.3 TIO_2纳米管染料敏化太阳能电池的制备29-31
• 2.3.1 阳极试样的预处理29
• 2.3.2 在工业纯钛表面制备 TiO_2纳米管阵列29-30
• 2.3.3 制备纳米管染料敏化太阳能电池30-31
• 2.4 DSSC 的表征方法与技术参数31-38
• 2.4.1 TiO_2薄膜的表征方法31-35
• 2.4.2 衡量 DSSC 的主要技术参数以及影响因素35-38
• 第三章 共构结构的染料敏化太阳能电池的研究38-52
• 3.1 引言38
• 3.2 共构结构的设计思路38-39
• 3.3 工艺结构设计39-42
• 3.3.1 双层纳米晶 TiO_2薄膜的设计39-41
• 3.3.2 镀银反光膜的设计41-42
• 3.4 结果与讨论42-51
• 3.4.1 双层粒径 TiO_2薄膜的表面形貌分析42-44
• 3.4.2 TiO_2颗粒的 X 射线衍射分析（XRD）44-46
• 3.4.3 大小粒径纳米晶体 TiO_2的反射率比较46-47
• 3.4.4 染料分子的吸收光谱及银反光膜的反射光谱47-48
• 3.4.5 大小粒径 TiO_2纳米层厚度优化48-50
• 3.4.6 共构后染料敏化太阳能电池性能的改进50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第四章 直射式纳米管染料敏化太阳能电池52-60
• 4.1 引言52
• 4.2 直射式染料敏化太阳能电池的选题过程52-53
• 4.3 结果与讨论53-59
• 4.3.1 TiO_2纳米管阵列的形貌表征53-56
• 4.3.2 TiO_2纳米管阵列的形成过程56
• 4.3.3 制得的 TiO_2纳米管的晶型分析56-57
• 4.3.4 直射式染料敏化太阳能电池的效率对比57-59
• 4.4 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-66
• 致谢66-67
• 攻读硕士期间发表(含录用)的学术论文67

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