染料敏化太阳能电池的制备及优化研究

【摘要】：染料敏化纳米晶太阳能电池（DSSC）的工作原理与自然界中植物利用太阳能进行的光合作用的原理类似，将太阳能转化为电能。在制备DSSC的各个环节中,最重要的环节是多孔纳米晶TiO_2薄膜的制备，因为吸附上染料的TiO_2电极（即光阳极）对太阳光的利用率很大程度上决定了DSSC的光电转换效率。 TiO_2电极影响电池的太阳光利用率高低因素主要包括：⑴、染料分子吸附的数量。⑵、光传播路径的长短。⑶、光生载流子的复合速率。⑷、TiO_2的带隙宽度决定电池能引起的光响应范围（能够利用到的太阳光的波段范围）。 本文主要针对影响TiO_2电极的因素进行一系列的优化处理包括添加大小颗粒混合散射层及对传输层TiO_2进行稀土铒的掺杂改性。添加散射层能够解决电池中光的传播路径短的问题，因为小颗粒的TiO_2虽然有很大的比表面积，能够吸附的染料分子比大颗粒的多，但是单层小颗粒的纳米TiO_2薄膜近乎是透明的，无法发生光散射效应，因此用单层TiO_2薄膜制备的DSSC光电转换效率一般较低。如果添加适量大粒径的TiO_2颗粒，会出现光散射效应，从而增长的光的传播路径，提高光的反复利用。对TiO_2进行稀土铒离子掺杂目的是使TiO_2粒子生长的更好，抑制在高温煅烧时锐钛矿（anatase）向金红石（rutile）相转变，因为锐钛矿比金红石相更适合DSSC的应用中，同时适当的稀土掺杂能在保证DSSC的开路电压和填充因子不受影响的情况下，因为上转换材料的作用能够提高DSSC对太阳光的利用率，这样就直接增加了电池中可利用的光子数，最终提高了电池的短路电流进而提高电池的整体光电转化效率。 本文采用溶胶-凝胶水热法、P25粉体研磨法制、刮涂法及丝网印刷法制备TiO_2电极，通过扫描式电子显微镜（SEM）、X-光粉末衍射仪（XRD）、紫外-可见光光谱分析仪（UV-vis）及I-V特性曲线对其性能进行表征并分析得出DSSC性能随薄膜结构不同有差异的原因，然后得到结论使DSSC性能得到最优化的条件。我们需要在添加的散射层中控制大颗粒TiO_2的含量既保证电子能从薄膜顺利被传输到外电路形成电流，也保证传输层吸附染料的量及TiO_2薄膜光散射性。适量掺Er~+能相应地将Er/TiO_2光响应范围移动到可见光位置、抑制晶粒的增大及晶相的转变及抑制光生载流子的复合。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 TiO_2纳米晶 光散射层 稀土掺杂
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 插图索引10-11
• 附表索引11-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 太阳能电池概述12-13
• 1.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理13-17
• 1.2.1 纳米晶 TiO2电极15
• 1.2.2 敏化染料15-16
• 1.2.3 电解质16
• 1.2.4 对电极16-17
• 1.3 染料敏化太阳能电池的研究背景及现状17-18
• 1.4 染料敏化太阳能电池的前景及存在的问题研究18
• 1.5 本文构想18-20
• 第2章 添加散射层 TiO2对电池的影响20-35
• 2.1 实验内容20-25
• 2.1.1 实验仪器20
• 2.1.2 实验材料20
• 2.1.3 实验步骤20-25
• 2.1.3.1 实验方法介绍21-22
• 2.1.3.2 清洗基材22-23
• 2.1.3.3 制备传输层纳米晶 TiO2薄膜23-24
• 2.1.3.4 制备散射层纳米晶 TiO2薄膜24
• 2.1.3.5 染料24
• 2.1.3.6 电解质配制24
• 2.1.3.7 对电极制备24-25
• 2.1.3.8 电池组装25
• 2.2 添加散射层对 TiO2电极的影响25-33
• 2.2.1 SEM 分析25-27
• 2.2.2 XRD 分析27-28
• 2.2.3 UV-vis分析28-30
• 2.2.4 电池整体性能分析30-33
• 2.3 小结33-35
• 第3章 掺 Er 对电池的影响35-45
• 3.1 实验内容35-36
• 3.1.1 实验仪器35
• 3.1.2 实验材料35-36
• 3.1.3 实验方法介绍36
• 3.2 掺 Er 对 TiO2电极的影响36-42
• 3.2.1 SEM 分析36-38
• 3.2.2 XRD 分析38-39
• 3.2.3 UV-vis 分析39-40
• 3.2.4 电池整体性能分析40-42
• 3.3 结果与讨论42-44
• 3.4 小结44-45
• 结论45-47
• 参考文献47-50
• 致谢50-51
• 附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）51

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