染料敏化TiO_2纳米晶太阳能电池的研究

【摘要】： 染料敏化TiO_2纳米晶太阳能电池(NPC电池)是一种新型光电化学太阳能电池，由于它制作工艺简单、成本低和性能稳定，并且对环境无污染，具有良好的开发前景。它是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。研究结果在半导体光电子学、纳米多孔材料和太阳能电池的应用等方面均具有重要的科学意义。本文通过NPC电池的组装、UV-Vis和XRD等表征、光电性能测试等，研究NPC电池的组装、结构、组成与电池光电性能的关系。 (1)本文以TiO_2粉体(P-25)为原料，加入水、分散剂和乳化剂后进行研磨，把所得到的溶胶涂敷在导电玻璃上成膜；TiO_2膜在400℃热处理0.5小时后，在染料RuL_2(SCN)_2乙醇溶液中浸泡24小时，得到TiO_2／染料电极。TiO_2／染料电极与对电极组装，在两者之间滴上电解质溶液，连接外电路，完成NPC电池的组装。 (2)系统地探讨了TiO_2膜的制备工艺条件—分散剂的量、乳化剂的量、研磨时间、热处理温度、保温时间以及TiO_2膜的厚度对NPC电池光电性能的影响。结果表明，当分散剂为0.15mL、乳化剂为0.10mL、研磨时间为1h、热处理温度为400℃、保温时间为0.5h和膜的厚度为11.4μm时，可获得光电性能较好的电池。 (3)系统地研究阴极的修饰。阴极经白金、镍和碳膜修饰后，NPC电池的光电性能得到很大改善。与未修饰的电极相比，电池的短路电流从0.91mA分别上升至8.12mA、5.23mA和5.23mA；开路电压从478mV分别变化为542mV、468mV和510mV；填充因子从0.09分别上升至0.47、0.15和0.23；电池的单色光光电转化率从7.59％分别上升至48.32％、41.19％和18.92％。 (4)研究外部光条件对电池性能的影响。在一定光强度范围内，NPC电池的开路电压和短路电流均随光强度增加而增加，但填充因子随光强度增加而减小。因而，在本文实验条件下，当模拟太阳光光强度为72.7mW／cm~2时，电池的性能较好，短路电流为8.12mA，开路电压为542mV，填充因子为0.47，电池的光电转换效率为0.95％。电池的单色光光电转化率在波长560nm处达到最大，为48.32％。太阳光(43.31mW／cm~2)下，电池的开路电压为575mV，短路电流为10.45mA，填充因子为0.36，光电转换效率为1.55％。 【关键词】：染料敏化 纳米多孔TiO_2膜 太阳能电池 光电性能 阴极
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TM914
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 光电化学太阳能电池国内外进展10-11
• 1.2 NPC电池的结构和基本原理11-13
• 1.2.1 NPC电池的结构11-12
• 1.2.2 NPC电池的原理12-13
• 1.3 纳米晶体TiO_2多孔半导体膜电极13-17
• 1.3.1 纳米晶半导体电极13-15
• 1.3.2 纳米TiO_2多孔半导体膜电极15-17
• 1.3.2.1 TiO_2多孔半导体膜的制备16-17
• 1.3.2.2 TiO_2多孔半导体膜的改性17
• 1.4 染料光敏化剂17-20
• 1.4.1 合成染料18-20
• 1.4.2 天然色素20
• 1.5 NPC电池光阴极20-21
• 1.6 论文的研究内容和目标21-22
• 第二章 电池的制备和性能表征22-29
• 2.1 NPC电池的制备和性能测试22-23
• 2.1.1 NPC电池的制备22
• 2.1.2 NPC电池性能测试22-23
• 2.2 NPC电池的性能指标23-26
• 2.2.1 开路电压和短路电流23-24
• 2.2.2 光电转换效率和填充因子24-25
• 2.2.3 单色光光电转化效率25-26
• 2.3 影响NPC电池性能的因素26-29
• 2.3.1 内在因素26-27
• 2.3.2 外部条件27-29
• 第三章 染料的性能表征29-32
• 3.1 表征实验29
• 3.1.1 实验主要药品29
• 3.1.2 实验主要仪器29
• 3.2 结果与分析29-32
• 第四章 二氧化钛膜对电池性能的影响32-49
• 4.1 TiO_2纳米多孔膜的制备32-33
• 4.1.1 实验主要药品和仪器32
• 4.1.2 TiO_2纳米多孔膜的制备和电池的组装32-33
• 4.2 热处理温度对电池性能的影响及膜的性能表征33-35
• 4.2.1 实验部分33
• 4.2.2 结果与分析33-35
• 4.3 分散剂乙酰丙酮的量对电池性能的影响35-36
• 4.3.1 实验部分35
• 4.3.2 结果与分析35-36
• 4.4 OP乳化剂的量对电池性能的影响36-37
• 4.4.1 实验部分36
• 4.4.2 结果与分析36-37
• 4.5 研磨时间对电池性能的影响37-38
• 4.5.1 实验部分37
• 4.5.2 结果与分析37-38
• 4.6 保温时间对电池性能的影响38-39
• 4.6.1 实验部分38
• 4.6.2 结果与分析38-39
• 4.7 TiO_2膜厚度对电池性能的影响39-41
• 4.7.1 实验部分39
• 4.7.2 结果与分析39-41
• 4.8 不同TiO_2粉体对电池性能的影响41-44
• 4.8.1 实验药品41-42
• 4.8.2 实验方法42
• 4.8.3 XRD分析42-43
• 4.8.4 结果与分析43-44
• 4.9 金属离子掺杂对电池性能的影响44-47
• 4.9.1 实验部分44-45
• 4.9.1.1 实验药品和仪器44-45
• 4.9.1.2 实验方法45
• 4.9.2 热重分析(TGA)45-46
• 4.9.3 XRD分析46
• 4.9.4 结果与分析46-47
• 4.10 结论47-49
• 第五章 阴极修饰对电池性能的影响49-54
• 5.1 阴极修饰49-50
• 5.1.1 实验主要药品和仪器49
• 5.1.2 制备方法和工艺49-50
• 5.1.2.1 白金电极的制备49-50
• 5.1.2.2 镍电极的制备50
• 5.1.2.3 碳电极的制备50
• 5.2 结果与分析50-52
• 5.3 结论52-54
• 第六章 光强度对电池性能的影响54-57
• 6.1 实验部分54
• 6.2 结果与分析54-56
• 6.3 结论56-57
• 第七章 总结57-59
• 参考文献59-65
• 附录65-66
• 致谢66

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