高效率染料敏化太阳能电池的电荷传输与复合机理研究

【摘要】：被称为第三代新型太阳能电池的染料敏化太阳能电池（DSC）具有广阔的研究和应用前景。目前DSC光电转换效率主要受到光生电荷在电池内部的收集效率偏低带来的短路电流密度的限制。影响DSC电荷收集效率的主要原因为电池内部的电荷传输速率与复合反应的竞争。因此，本论文紧密围绕DSC内部的电荷传输与界面电荷转移过程，着重研究了离子液体电解质、单晶纳米材料光阳极、纳米对电极材料的电荷传输与转移机理，及其相应DSC电池的光电性能的影响机制。 系统研究了离子液体电解质中表观粘度、组成结构对I_3~-离子扩散系数、电荷寿命以及电荷扩散系数的影响机制。研究结果表明，离子液体阴离子结构显著影响了电解质的扩散行为，并改变了氧化钛光阳极内的电荷寿命；阳离子则会因在氧化钛电极表面的吸附而影响电荷扩散系数。 采用金红石单晶纳米棒复合结构光阳极、高活性（001）晶面调制单晶纳米颗粒光阳极组装DSC电池，光电性能较相同比表面积P25光阳极显著提高。光电流的提高主要原因分别为单晶纳米棒的光散射效果以及低维单晶材料在光阳极内部提供的电荷传输通道而带来的电荷收集效率的提高，以及（001）晶面单晶纳米颗粒显著提高的染料吸附量。这为高效DSC电池的制备提供了崭新的研究思路和实验基础。 采用低温化学沉积方法制备纳米Pt/TiO2复合对电极，其电化学活性表面积显著增加，界面电荷转移电阻降为常规铂电极的25%。首次将垂直定向单壁碳纳米管阵列对电极应用于硫醇盐氧化还原电对（T2/T－）电解质和多硫电解质中。电化学结果表明，三维结构的碳纳米管定向阵列电极表现出了远优于常规铂电极的催化活性，大大降低了电解质在对电极界面的电荷转移电阻，并获得了远高于相同条件下铂电极组装DSC的填充因子和短路电流密度。这为适用于非碘体系电解质DSC和量子点敏化太阳能电池（QDSC）的对电极材料的开发和设计提供了新的研究方向。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 离子液体 单晶纳米材料 定向碳纳米管阵列 电荷收集效率
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 引言10-30
• 1.1 选题背景与意义10-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理12-17
• 1.2.1 基本工作原理12-14
• 1.2.2 电池结构14-15
• 1.2.3 太阳光谱介绍15-17
• 1.3 染料敏化太阳能电池的内部电荷传输过程17-28
• 1.3.1 DSC 中电荷转移模型17-18
• 1.3.2 光子的吸收和光电荷的产生分离18-20
• 1.3.3 氧化态染料的再生还原20-21
• 1.3.4 多孔电极中的电荷传输21-24
• 1.3.5 电荷的界面复合24-25
• 1.3.6 电解质内的电荷传输25-27
• 1.3.7 对电极界面的电荷转移27-28
• 1.4 本论文选题思路与主要研究内容28-30
• 第2章 实验原材料、方法和相关理论模型30-46
• 2.1 电池原材料与相关试剂30-32
• 2.1.1 导电基板30
• 2.1.2 化学试剂30
• 2.1.3 染料敏化剂30-31
• 2.1.4 氧化钛浆料的制备31-32
• 2.2 器件组装32-34
• 2.2.1 光阳极的制备32
• 2.2.2 染料的敏化32
• 2.2.3 对电极和电解质的制备32-33
• 2.2.4 DSC 的组装和密封33-34
• 2.3 电池光电性能的表征34-37
• 2.3.1 电流-电压测试34-36
• 2.3.2 入射光量子转换效率（IPCE）测试36-37
• 2.4 电化学交流阻抗测量体系37-41
• 2.4.1 完整电池的电化学阻抗测试37-39
• 2.4.2 对称电池的电化学阻抗测量39-41
• 2.5 强度调制光电流、光电压测量体系41-46
• 2.5.1 强度调制光电流谱（IMPS）42-44
• 2.5.2 强度调制光电压谱（IMVS）44-46
• 第3章 离子液体电解质的电荷传输与复合研究46-74
• 3.1 本章引论46-47
• 3.2 实验部分47-49
• 3.2.1 实验原材料47-48
• 3.2.2 离子液体电解质的制备48
• 3.2.3 光阳极的制备48
• 3.2.4 DSC 电池组装48
• 3.2.5 光电性能表征48
• 3.2.6 电荷传输机理表征48-49
• 3.3 表观粘度对离子液体电解质电荷传输性能与光电性能的影响49-58
• 3.3.1 表观粘度对离子液体电解质扩散性能的影响49-53
• 3.3.2 表观粘度对离子液体电解质电荷传输的影响53-56
• 3.3.3 表观粘度对离子液体电解质电池光电性能的影响56-58
• 3.4 阴离子对离子液体电解质电荷传输性能与光电性能的影响58-68
• 3.4.1 阴离子结构对离子液体电解质扩散性能的影响58-64
• 3.4.2 阴离子结构对离子液体电解质电荷传输与复合的影响64-66
• 3.4.3 阴离子结构对离子液体电解质电池光电性能的影响66-68
• 3.5 吡啶碘化物电解质的电荷传输与光电性能研究68-73
• 3.5.1 碘化物结构对电解质扩散性能的影响68-70
• 3.5.2 碘化物结构对电解质电荷传输与复合的影响70-71
• 3.5.3 碘化物结构对电解质电池光电性能的影响71-73
• 3.6 本章小结73-74
• 第4章 单晶纳米材料光阳极的制备与电荷传输行为研究74-100
• 4.1 本章引论74-75
• 4.2 实验部分75-77
• 4.2.1 实验原材料75
• 4.2.2 金红石相单晶复合光阳极的制备75
• 4.2.3 锐钛矿相单晶纳米材料的水热制备75-76
• 4.2.4 单晶光阳极的制备76
• 4.2.5 DSC 电池组装76
• 4.2.6 材料表征76-77
• 4.2.7 光电性能表征77
• 4.2.8 电荷传输机理表征77
• 4.3 金红石相单晶复合光阳极的制备与内部电荷传输机理77-87
• 4.3.1 金红石相单晶复合光阳极的显微形貌表征77-81
• 4.3.2 金红石相单晶复合光阳极的光电性能研究81-82
• 4.3.3 金红石相单晶复合光阳极的光谱性能研究82-84
• 4.3.4 金红石相单晶复合光阳极的电荷传输机理研究84-87
• 4.4 锐钛矿相单晶纳米材料在光阳极中的应用与电荷传输机理87-99
• 4.4.1 锐钛矿相单晶纳米材料的显微形貌表征87-90
• 4.4.2 锐钛矿相单晶纳米材料的生长机理与晶面调控研究90-92
• 4.4.3 锐钛矿相单晶光阳极的光电性能研究92-94
• 4.4.4 锐钛矿相单晶光阳极的染料吸附量研究94-95
• 4.4.5 锐钛矿相单晶光阳极的电荷传输机理研究95-99
• 4.6 本章小结99-100
• 第5章 高活性纳米对电极的制备及其界面电荷转移机理研究100-122
• 5.1 本章引论100-101
• 5.2 实验部分101-106
• 5.2.0 实验原材料101
• 5.2.1 常规铂电极的制备101-102
• 5.2.2 纳米 Pt/TiO2复合对电极的制备102
• 5.2.3 垂直定向单壁碳纳米管对电极的制备102-104
• 5.2.4 DSC 电池组装104-105
• 5.2.5 材料显微结构表征105
• 5.2.6 光电化学表征105-106
• 5.3 纳米 Pt/TiO2复合对电极的界面电荷转移机理研究106-112
• 5.3.1 纳米 Pt/TiO2复合结构对电极的显微形貌表征106-107
• 5.3.2 纳米 Pt/TiO2复合结构对电极的电化学性能研究107-111
• 5.3.3 纳米 Pt/TiO2复合结构对电极的光电性能研究111-112
• 5.4 垂直定向单壁碳纳米管对电极在非碘体系电解质中的应用112-120
• 5.4.1 垂直定向单壁碳纳米管对电极的显微形貌表征112-114
• 5.4.2 垂直定向单壁碳纳米管对电极的 Raman 表征114-115
• 5.4.3 垂直定向单壁碳纳米管对电极对 T2/T－电解质的电化学性能研究115-117
• 5.4.4 垂直定向单壁碳纳米管对电极对多硫电解质的电化学性能研究117-119
• 5.4.5 垂直定向单壁碳纳米管对电极的光电性能研究119-120
• 5.5 本章小结120-122
• 结论122-124
• 参考文献124-140
• 致谢140-142
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果142-143

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

Novel guanidinium-based ionic liquids as stationary phases for capillary gas chromatography    

Guanidinium Iodides-based Ionic Liquids: Synthesis and Application for Dye-sensitized Solar Cells(DSSCs)    

导电玻璃对纳米二氧化钛薄膜太阳能电池性能的影响    沈小林;徐卫林;杨红军;

室温离子液体的应用进展    陈晓伟;包宗宏;

胍盐离子液体的研究进展    段海峰;郭旭;李胜海;林英杰;张所波;谢海波;

胍盐离子液体粘度性质的预测    王玲;程涛;孙淮;

SnO_2/TiO_2体系气敏性能及其机理研究    曾文

新型离子液体聚合物电解质的设计、合成及在锂二次电池中的应用研究    李明涛

｛001｝晶面主导的锐钛型二氧化钛单晶的制备、稳定性和应用研究    杨晓华

胍、胍盐离子液体的合成及其在Michael加成反应中的应用    梁大鹏

染料敏化太阳能电池中PEG基体聚合物电解质和低铂负载量对电极研究    李品将

基于咪唑类离子液体助剂的金红石TiO_2纳米材料的水热合成    彭鹏

新型离子液体电解质的合成及在锂二次电池中的应用研究    房少华

二氧化钛的光催化性质与光电性质的研究    王雪松

氟烯烃活性自由基聚合及氢氧根离子交换膜材料制备与表征    刘磊

用于染料敏化太阳能电池的聚丙烯酸（酯）/聚乙二醇/I~-/I_3~-聚合物凝胶电解质的研究    张亮

二氧化钛纳米棒薄膜材料及其太阳电池的溶胶—凝胶制备与光催化活性的研究    那日苏

聚醚离子液体的合成研究    岑非非

新型离子液体聚合物电解质的合成及其在锂二次电池中的应用    董思明

高活性锐钛型二氧化钛的制备及其在分解水制氢中的应用    闻次章

（001）面暴露的锐钛矿TiO_2单晶及微球的水热法制备    唐美兰

手性胍离子液体的合成、性质研究和活泼亚甲基化合物的芳基化反应    吴楠

铜在Cu（BF_4）_2-[bmim]BF_4及CuSO_4-H_2O-[bmim]BF_4体系中的电沉积研究    杨坤

成纤高聚物/室温离子液体系静电纺丝成形的初步探索    白红伟

绿色溶剂—离子液体的合成、表征及应用    任慧平

用于电化学太阳电池的几种多晶n-CdS光阳极特性的研究    傅宏达,宋天平,张伯荣,糜天英

基于不同浓度铂对电极的染料敏化太阳能电池的性能研究    黄光胜;阮晓莉;竹怀君;

染料敏化太阳能电池基础研究及产业化新进展    孙惠成;罗艳红;李冬梅;孟庆波;

电沉积Pt微岛对单晶n-Si光阳极行为的影响    范宏斌,范钦柏,邓薰南

新一代光阳极光250踏板车简介    吴锋

CuInS_2、CuInSe_2及其固溶体作光阳极的光电化学太阳电池的研究    邓恩慈

二氧化钛电极光电解水制氢时电解池操作条件的研究    陈从香,苏洪釪,庄叔贤,伏义路

染料敏化太阳电池光阳极薄膜研究进展    李树全;林建明;张秀坤;李彪;徐波;

染料敏化太阳能电池的研究与发展现状    于哲勋;李冬梅;秦达;孙惠成;张一多;罗艳红;孟庆波;

使用不对称矩形脉冲电流沉积n-CdTe薄膜光阳极    庞仁德,邓薰南

基于氮掺杂的高活性二级分叉氧化锌四角叉结构的光阳极在光电化学制氢的应用    丘勇才;杨世和;

染料敏化太阳能电池用三维海胆状ZnO微纳结构光阳极的合成与光电转换性能研究    张新华;陈翌庆;程银芬;

金属有机框架在染料敏化太阳能电池界面调控中的应用    李亚峰;魏明灯;

低温两步法合成掺杂型纳米晶TiO_2光阳极及其电池性能分析    许程;苏奎;唐成;

染料敏化太阳电池光阳极薄膜的研究进展    郭晓伟;陈改荣;王辉;苗超林;苗郁;曹志民;

具有高光捕获能力的染料敏化太阳能电池TiO_2光阳极    李春辉;罗艳红;李冬梅;糜建立;Lasse Sф;Peter Hald;孟庆波;Bo B.Iversen;

一维多级纳米结构TiO2光阳极染料敏化太阳能电池    林昌健;郑大江;叶美丹;吕妙强;郭文熹;

利用在导电玻璃上直接生长的有序的二氧化钛纳米棒阵列作为光阳极制备固态染料敏化太阳能电池    白杰;鲁建峰;徐晓宝;李志鸿;曹昆;崔金;王鸣魁;

柔性光电极的制备及其染料敏化太阳能电池光电转换性能研究进展    彭天右;范科;柴波;陈俊年;

染料敏化太阳能电池的钛片基柔性光电极的光电化学行为研究    范科;彭天右;柴波;陈俊年;

染料敏化太阳能电池更高效    张宁

染料敏化太阳能电池专利申请分析    素白

未来主导：染料敏化太阳能电池    本报记者 滕继濮

测定电极消耗 改善电极使用性能    杨雄飞

几种常用传感器的工作原理    河南 董美红

发达国家电弧炉高效节能技术简介④    郭廷杰

太阳能电池：让“阳光”主宰未来生活    本报记者　张显峰

车用动力镍氢电池通过验收    记者　 李玉成

加开发出新型光子晶体显示技术    冯卫东

新仿生手灵巧如真手,能开锁和易拉罐    蔡莹新华社特稿

高效率染料敏化太阳能电池的电荷传输与复合机理研究    郝锋

染料敏化太阳能电池光阳极研究    向鹏

敏化太阳能电池光阳极和对电极的制备与研究    朱光

染料敏化太阳能电池用聚苯胺电解质及对电极的制备与性能研究    秦琦

新型高效叠层及复合染料敏化太阳能电池研究    苗青青

染料敏化太阳能电池准固态电解质及碳基对电极研究    张丁文

基于氧化物薄膜的光电器件及电阻转变行为研究    王晓祺

离子液体电解质的研制及其在染料敏化太阳能电池中的应用    赵杰

染料敏化太阳能电池中电极材料和寄生电阻的研究    周聪华

DMFC和DSSC的化学增强与光辅助增强催化    王耀琼

染料敏化太阳能电池光阳极的性能研究    刘懿平

柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究    程存喜

钛基板光阳极染料敏化太阳能电池的研究    汪咏梅

染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究    高峰

染料敏化太阳能电池光阳极的光电化学性质研究    刘润花

染料敏化太阳能电池光阳极和对电极的研究    冯小明

染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的优化    杨广涛

染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究    夏咏梅

染料敏化太阳能电池复合光阳极的构筑及光电性能    董友珍

染料敏化太阳能电池光阳极的制备及性能研究    吕晓斐