基于透明介孔对电极的介观太阳能电池研究

【摘要】：介观太阳能电池(Mesoscopic solar cell, MSC)是一种利用纳米介孔结构进行光捕获和电荷分离的新型的太阳能电池。其中,染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)是介观太阳能电池的典型代表。自1991年M. Gratzel课题组首次将二氧化钛(TiO2)介孔材料应用在DSSC以来,DSSC受到各国研究者的广泛关注与深入研究。目前文献报道的DSSC的最高公证效率已达到11.9%。与传统的太阳能电池相比,DSSC具有原材料价格相对低廉、制备工艺过程简单、对环境友好无污染等特点,因而受到广泛关注。 随着DSSC的快速发展,许多的科研机构和公司都致力于开发应用型的DSSC器件,积极推动DSSC的商业化应用。其中,利用DSSC易于制作、可塑性强等特点,将DSSC与建筑幕墙结合是其产业化的一个重要发展方向。 针对光伏与建筑材料一体化(Building Integrated Photovoltaic, BIPV)的发展需求,本论文在传统DSSC基础上研发了一种具有双面透明特点的全介孔液态DSSC；为了解决液态DSSC稳定性等问题,在此基础上,开发出具有双面透明全介孔结构的全固态DSSC；与此同时,将介孔ITO材料应用在钙钛矿介观太阳能电池的结构中,为进 一步制作钙钛矿透明电池和叠层电池奠定了基础；对基于碳对电极和钙钛矿的全固态介观太阳能电池的光阳极进行了优化,并获得了13.41%的光电转换效率。 本论文的具体研究内容包括： 采用溶剂热合成法(Solvothermal synthesis)制备了立方体形状的ITO纳米颗粒；通过向ITO纳米晶颗粒中添加粘结剂,并控制ITO/粘结剂的比例,制备了一种透明导电ITO浆料。实验结果证明,采用该浆料制备的介孔ITO薄膜比表面积高达112.5m2/g,单层透过率高达80%以上,电阻率低至0247±0.004Ω·cm。 制备了介孔ITO透明对电极,并将其应用在液态DSSC中。在介孔ITO对电极的基础上,利用热分解H2PtCl6的方式对该介孔ITO透明电极进行修饰,制备了基于ITO-Pt介孔对电极的双面透明的DSSC,并获得了3.26%的光电转换效率。实验表明,ITO-Pt介孔对电极在保持良好催化活性的同时,能够极大地降低对电极与电解质之间的交换电阻,从而提高电池的光电转换效率。 采用全丝网印刷的方式,成功制备了一种基于介孔ITO对电极的双面透明全固态DSSC。通过优化对电极中ITO膜的厚度及Spiro-OmetaD填充工艺,制备了全丝网印刷的双面透明全固态DSSC,该器件在标准太阳光强下获得了正面照射1.73%的光电转换效率和反面照射1.06%的光电转换效率。 采用全丝网印刷的方式,以新型钙钛矿(5-AVA)x(MA)1-xPbI3取代传统的CH3NH3PbI3,发展了一种基于介孔ITO透明对电极的介观钙钛矿太阳能电池,并取得了7.6%的光电转换效率。 对基于碳对电极和(5-AVA)x(MA)1-xPbI3体系的介观钙钛矿太阳能电池进行了介孔TiO2材料的优化。实验表明,纳米晶TiO2颗粒的尺寸的大小为25nm时,介观钙钛矿太阳能电池具有最高的光电转换效率；最终在最佳化的条件下,获得了光电转换效率为13.41%的可印刷的介观钙钛矿太阳能电池。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 介观太阳能电池 掺锡氧化铟 钙钛矿 二氧化钛
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-26
• 1.1 引言11-13
• 1.2 太阳能的利用方式13-14
• 1.3 太阳能电池发展现状14-17
• 1.4 染料敏化太阳能电池介绍17-24
• 1.5 本论文研究思路和工作内容24-26
• 2 ITO纳米颗粒的合成及介孔薄膜的优化26-40
• 2.1 引言26-28
• 2.2 实验部分28-29
• 2.3 ITO纳米颗粒的合成及表征29-32
• 2.4 介孔ITO薄膜的制作与研究32-39
• 2.5 本章小结39-40
• 3 透明介孔ITO对电极在透明液态DSSC中的研究40-53
• 3.1 引言40-42
• 3.2 实验部分42-44
• 3.3 基于透明介孔ITO对电极及电池的性能44-48
• 3.4 基于透明介孔ITO-Pt对电极及电池的性能48-51
• 3.5 本章小结51-53
• 4 透明介孔ITO对电极在透明固态DSSC中的研究53-68
• 4.1 引言53-54
• 4.2 实验部分54-56
• 4.3 双面透明全固态DSSC的原理56-57
• 4.4 双面透明全固态DSSC的优化57-63
• 4.5 双面透明全固态DSSC的性能63-66
• 4.6 本章小结66-68
• 5 基于介孔ITO对电极的钙钛矿介观太阳能电池68-84
• 5.1 引言68-71
• 5.2 实验部分71-72
• 5.3 钙钛矿晶体的合成与表征72-77
• 5.4 基于介孔ITO对电极的钙钛矿介观太阳能电池的研究77-82
• 5.5 本章小结82-84
• 6 基于碳对电极的介观太阳能电池中TiO_2尺寸效应的研究84-101
• 6.1 引言84-85
• 6.2 实验部分85-88
• 6.3 TiO_2浆料的制作及表征88-91
• 6.4 TiO_2在介观太阳能电池中性能及尺寸效应研究91-100
• 6.5 本章小结100-101
• 7 结论与展望101-104
• 7.1 全文研究内容总结101-102
• 7.2 主要创新点102-103
• 7.3 研究展望103-104
• 致谢104-105
• 参考文献105-118
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录118-120

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