染料敏化太阳能电池光阳极的低温制备及其表面改性研究

【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(Dye-sensitized Solar Cell,DSC)具有广阔的研究和应用前景。其中,柔性DSC具有可折叠性、便携进一步拓宽了电池的应用范围,更具研究价值。柔性DSC实现的关键在于氧化钛薄膜在柔性导电聚合物基底上的低温(150oC)成膜。当前的低温成膜工艺较复杂,制备出的薄膜存在着机械强度较差、颗粒之间连接不好、光电转换效率较低等问题。鉴于氧化钛薄膜的组成为纳米晶颗粒,可以考虑利用不同尺寸的纳米晶颗粒来制备一个类混凝土的级配结构薄膜,颗粒间在低温下通过化学键连接以保证较好的电连接和机械强度,从而避免了有机粘接剂的使用和高温烧结。此外,纳米晶表面存在着部分缺陷,如果在这些缺陷上吸附小分子将能够钝化氧化钛表面,抑制电子复合,从而提高氧化钛薄膜的光电转换性和长期稳定性。基于以上思想,本论文将主要开发级配结构氧化钛纳米晶薄膜用浆料、简化制备工艺,从机理上研究级配成分对薄膜结构和光电性能的影响,同时还将设计和开发用于钝化的吸附小分子,以实现高效、长期稳定DSC的制备。 本论文系统研究了级配结构所用浆料成分对级配结构光阳极光电转换性能的影响,并确定了相关的优化工艺。在低温条件下,成功制备了级配结构氧化钛薄膜,并取得了4.54%的光电转换效率。首次系统研究了级配结构孔隙率、孔径大小等结构参数对光阳极中光生电子的传递和复合的影响,明确了级配结构成分对光电转换性能的影响,为柔性DSC的进一步研究奠定了基础。 系统探索了羧酸基共吸附小分子对氧化钛光阳极的光电转换性能的影响。研究结果表明,羧酸基共吸附小分子可以提高DSC的光电转换性能,可以在钝化氧化钛表面的同时,提高氧化钛的导带边缘。首次研究了不同共吸附条件对共吸附的效果有很大的影响,大大缩短了染料的敏化时间。在该研究的基础上,研究了亚磷酸基共吸附分子对氧化钛光阳极的光电转换性能的影响。通过使用亚磷酸共吸附分子,首次在非离子液体基DSC上取得了优异的长期稳定性。瞬态光谱研究表明,亚磷酸基共吸附也可以同时钝化氧化钛表面和提高氧化钛的导带边缘。将亚磷酸分子用于柔性DSC光阳极,大大提高了其光电转换效率。 【关键词】：柔性DSC 低温烧结 级配结构 共吸附 电化学交流阻抗
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第1章 引言12-35
• 1.1 选题背景和意义12-14
• 1.2 DSC 电池的工作原理和内部电荷转移过程14-22
• 1.2.1 DSC 中电荷转移模型15-16
• 1.2.2 光子的吸收和光电荷的产生分离16-18
• 1.2.3 电子传输和复合反应18-20
• 1.2.4 染料的还原再生20-21
• 1.2.5 电解质21-22
• 1.2.6 对电极22
• 1.3 柔性DSC 光阳极薄膜与氧化钛表面分子共吸附的研究进展22-32
• 1.3.1 柔性DSC 光阳极薄膜的研究进展22-28
• 1.3.2 纳米晶表面小分子和染料共吸附的研究进展28-32
• 1.4 本论文选题思路和主要研究内容32-35
• 第2章 实验原材料、方法和相关理论模型35-60
• 2.1 电池原材料和相关试剂35-40
• 2.1.1 导电基板35-36
• 2.1.2 刚性DSC 用介孔氧化钛浆料的制备36-37
• 2.1.3 化学试剂37-38
• 2.1.4 介孔氧化钛薄膜的制备38-39
• 2.1.5 染料敏化剂的制备39-40
• 2.2 刚性DSC 电池的组装40-42
• 2.2.1 光阳极40
• 2.2.2 染料的敏化40
• 2.2.3 对电极和电解液的制备40-41
• 2.2.4 DSC 的组装和密封41-42
• 2.2.5 DSC 的耐久性测试42
• 2.3 光谱分析42-43
• 2.3.1 紫外可见光谱分析42
• 2.3.2 红外光谱分析42-43
• 2.4 DSC 光电转换性能的表征43-48
• 2.4.1 太阳光谱的基本知识43-44
• 2.4.2 电流-电压测试44-47
• 2.4.3 单色入射光子-电流转换效率（IPCE）47-48
• 2.5 半导体中电子分布的基本知识48-54
• 2.5.1 稳态条件下半导体薄膜中的电子分布48-53
• 2.5.2 稳态条件下动态微扰动对电子行为的影响53-54
• 2.6 瞬态光谱测量体系54-57
• 2.7 电化学交流阻抗测量体系57-60
• 第3章 柔性光阳极薄膜的低温化学烧结及其光电转换性能60-78
• 3.1 本章引论60-61
• 3.2 水热法简介61-62
• 3.3 实验部分62-64
• 3.3.1 实验原材料62-63
• 3.3.2 氧化钛纳米晶颗粒的水热合成63
• 3.3.3 低温化学烧结用浆料的制备63-64
• 3.3.4 DSC 电池组装64
• 3.3.5 材料结构、形貌表征和光电化学表征64
• 3.4 纳米晶氧化钛颗粒的合成表征64-67
• 3.4.1 氧化钛纳米晶的TEM、HRTEM 表征64-65
• 3.4.2 氧化钛纳米晶的XRD 分析65-67
• 3.5 氧化钛薄膜的低温烧结及其光电性能表征67-77
• 3.5.1 氧化钛薄膜结构的模型设计67-69
• 3.5.2 氧化钛薄膜优化结构的确定69-70
• 3.5.3 光子散射颗粒对氧化钛薄膜光电性能的影响70-72
• 3.5.4 烧结温度对氧化钛薄膜光电性能的影响72-73
• 3.5.5 氧化钛薄膜的微观结构和低温化学烧结机理分析73-76
• 3.5.6 柔性光阳极的光电转换性能及其结构的进一步优化76-77
• 3.6 本章小结77-78
• 第4章 柔性光阳极薄膜中的电子传递与复合研究78-103
• 4.1 本章引论78-79
• 4.2 模型基本假设79-84
• 4.2.1 二元体系级配理论和计算模型79-82
• 4.2.2 电化学模型82-84
• 4.3 实验部分84-87
• 4.3.1 实验原材料84-85
• 4.3.2 DSC 电池组装85-86
• 4.3.3 氧化钛薄膜染料吸附量的测量86
• 4.3.4 材料表征和光电化学表征86-87
• 4.3.5 级配模型计算中所使用的参数87
• 4.4 级配模型计算结果及其实验验证87-89
• 4.5 不同纳米晶小颗粒掺量对电子传递和复合的影响89-96
• 4.5.1 不同小颗粒掺量对光阳极光电转换性能的影响89-91
• 4.5.2 不同小颗粒掺量对光生电子传递的影响91-94
• 4.5.3 不同小颗粒掺量对光生电子复合的影响94-96
• 4.6 不同粒径大颗粒对电子传递和复合的影响96-102
• 4.6.1 不同粒径大颗粒对光阳极光电转换性能的影响96-98
• 4.6.2 大颗粒粒径对光生电子传递的影响98-100
• 4.6.3 大颗粒粒径对光生电子复合的影响100-102
• 4.7 本章小结102-103
• 第5章 光阳极中氧化钛表面饱和羧酸分子的共吸附研究103-132
• 5.1 本章引论103-104
• 5.2 氧化钛导带移动和表面钝化模型104-107
• 5.3 实验部分107-108
• 5.3.1 实验原材料107
• 5.3.2 DSC 电池组装107-108
• 5.3.3 材料表征和光电化学表征108
• 5.4 氧化钛表面三甲基乙酸分子（PVA）的共吸附研究108-119
• 5.4.1 不同共吸附条件对染料吸附量的影响108-110
• 5.4.2 共吸附处理后的氧化钛表面的红外光谱研究110-112
• 5.4.3 不同共吸附条件对电池光电转换性能的影响112-115
• 5.4.4 导带边缘移动和表面钝化的瞬态光谱研究115-119
• 5.5 氧化钛表面3,3-二甲基丁酸分子的共吸附研究119-130
• 5.5.1 不同共吸附条件对染料吸附量的影响119-121
• 5.5.2 共吸附处理后的氧化钛表面的红外光谱研究121-122
• 5.5.3 不同共吸附条件对电池光电转换性能的影响122-125
• 5.5.4 导带边缘移动和表面钝化的瞬态光谱研究125-130
• 5.6 PVA 共吸附电池的长期稳定性研究130-131
• 5.7 本章小结131-132
• 第6章 光阳极中氧化钛表面饱和亚磷酸分子的共吸附研究132-155
• 6.1 本章引论132-133
• 6.2 实验部分133-134
• 6.2.1 实验原材料133-134
• 6.2.2 DSC 电池组装134
• 6.2.3 材料表征和光电化学表征134
• 6.3 氧化钛表面二甲基亚磷酸（DMOP）的共吸附研究134-141
• 6.3.1 DMOP 在氧化钛表面吸附的红外表征134-135
• 6.3.2 DMOP 对电池光电转换性能的影响135-136
• 6.3.3 导带边缘移动和表面钝化的瞬态光谱研究136-139
• 6.3.4 DMOP 共吸附对DSC 长期稳定性的影响139-141
• 6.4 氧化钛表面DINHOP 的共吸附研究141-153
• 6.4.1 不同共吸附条件对染料吸附量的影响141-143
• 6.4.2 共吸附处理后的氧化钛表面的红外光谱研究143-144
• 6.4.3 不同共吸附条件对电池光电转换性能的影响144-148
• 6.4.4 导带边缘移动和表面钝化的瞬态光谱研究148-152
• 6.4.5 DINHOP 共吸附电池长期稳定性研究152-153
• 6.5 DINHOP 共吸附在柔性DSC 光阳极中的应用153-154
• 6.6 本章小结154-155
• 结论155-157
• 参考文献157-171
• 致谢171-172
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果172-173

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