镍基纤维染料敏化太阳能电池的制备研究

【摘要】：太阳能作为一种低成本、可再生的绿色能源，有望替代化石能源成为世界性能源。作为第三代太阳能电池的染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC），具有原料丰富、工艺简单、成本低廉等优点，已成为太阳能电池的研究热点。传统硬质平板DSSC受空间限制大，抗外力能力不足，制约了电池多样性设计及大面积电池模块的运输、安装及使用。近年来，一种新型纤维DSSC受到广泛关注。它以导电纤维为工作电极基底，通过缠绕或编织方式组装成器件。该电池柔性可编织的特性，极大地方便了太阳能电池的应用。 纤维DSSC首次引入了高曲率的电极基底，而其导致的复杂结构应变给器件优化及其内部工作机理研究带来了新挑战，同时也将电极基底由传统的钛、不锈钢等拓展至更宽泛的材料范围。研究基于无应变理想结构提出了液态纤维DSSC电池的等效电路模型。在已建立的等效模型指导下，进而通过电镀和化学镀，分别在导电材料和不导电材料表面沉积，制备了低成本无ITO的Ni基复合纤维电极，并首次将其应用于纤维DSSC，从而避免了Ti、Fe等金属成型需要高温以及难以与其它纤维复合等缺点。研究内容主要包括以下几点： ①研究基于无应变理想结构提出液态纤维DSSC器件的理想等效电路模型。结果表明：与模型推导一致，纤维DSSC电解液层传输性质与平板器件相似。与平板器件不同，低频下实部阻抗随TiO2薄膜厚度的增加呈现先降低后升高的趋势。相关研究结果给纤维DSSC电池性能的进一步优化提供理论指导； ②研究通过电镀在金属导电纤维上沉积出镍基复合纤维基底，应用于纤维DSSC。研究发现：Ni层形貌以及ZnO纳米棒阵列结构对性能有较大影响。当电压=3.7V且[Zn2+]=0.05M时，所得ZnO基纤维光阳极性能与传统的Ti丝、不锈钢丝相当。类似技术有助于开发系列纤维DSSC领域极具应用前景的基底材料； ③研究通过化学镀在不导电纤维，网状和静脉结构表面制备得镀镍基底，应用于纤维DSSC。研究发现：Ni/聚合物复合光阳极性能与传统Fe和Ti电极相当。与传统平面型光阳极相比，精细结构网状光阳极DSSC的光电性能更受金属镍层形貌的影响。类似的方法可应用于制造几乎任何形状和任何材料的光阳极。 【关键词】：纤维染料敏化太阳能电池 等效模型 湿法工艺 镍基复合纤维电极
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O646
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-26
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 太阳能电池的研究进展9-11
• 1.2.1 无机太阳能电池9-10
• 1.2.2 有机太阳能电池10-11
• 1.2.3 无机-有机杂化太阳能电池11
• 1.3 新型染料敏化太阳能电池的研究进展11-24
• 1.3.1 DSSC 的结构及工作原理11-16
• 1.3.2 柔性 DSSC 的研究进展16-17
• 1.3.3 DSSC 电极的研究进展17-20
• 1.3.4 纤维基 DSSC 光阳极的研究进展20-24
• 1.4 研究内容及创新点24-26
• 1.4.1 研究内容24-25
• 1.4.2 创新点25-26
• 2 实验部分26-31
• 2.1 材料、试剂和设备26-27
• 2.1.1 实验材料26
• 2.1.2 实验试剂26-27
• 2.1.3 实验仪器27
• 2.2 纤维 DSSC 的制备27-29
• 2.2.1 光阳极制备27-28
• 2.2.2 光敏化剂和电解质制备28-29
• 2.2.3 电池组装29
• 2.3 分析及测试29-31
• 2.3.1 光电化学特性测试29-30
• 2.3.2 电化学分析30
• 2.3.3 结构形貌表征30-31
• 3 液态纤维 DSSC 电极界面等效电路分析31-39
• 3.1 等效电路推导及验证31-34
• 3.1.1 DSSC 等效电路推导31-33
• 3.1.2 DSSC 等效电路有效性验证33-34
• 3.2 纤维 DSSC 界面阻抗随电池结构的变化34-38
• 3.2.1 金属基底材料对纤维 DSSC 器件阻抗的影响34-35
• 3.2.2 TiO2薄膜结构对纤维 DSSC 器件阻抗的影响35-36
• 3.2.3 电解液浓度对纤维 DSSC 器件阻抗的影响36-37
• 3.2.4 光敏染料对纤维 DSSC 器件阻抗的影响37-38
• 3.3 本章小结38-39
• 4 基于金属材料纤维 DSSC 光阳极的湿法制备39-48
• 4.1 金属材料纤维光阳极在 DSSC 中应用39-40
• 4.2 电极镍层形貌对电池性能的影响40-43
• 4.2.1 不同电镀电压对金属镍层形貌的影响40-41
• 4.2.2 不同镍层形貌对 DSSC 电池性能的影响41-42
• 4.2.3 电化学分析42-43
• 4.3 ZnO 纳米棒阵列结构对电池性能的影响43-47
• 4.3.1 不同水热条件对 ZnO 结构的影响43-44
• 4.3.2 不同 ZnO 结构对 DSSC 电池性能的影响44-45
• 4.3.3 电化学分析45-47
• 4.4 本章小结47-48
• 5 基于不导电材料 DSSC 光阳极的湿法制备48-56
• 5.1 纤维型光阳极在 DSSC 应用48-53
• 5.1.1 不同主盐浓度下镍层形貌对电池性能的影响49-51
• 5.1.2 不同络合剂浓度下镍层形貌对电池性能的影响51-52
• 5.1.3 不同 ZnO 纳米棒阵列结构对电池性能的影响52-53
• 5.2 网状光阳极在 DSSC 应用53-54
• 5.2.1 网状光阳极 DSSC 的性能53
• 5.2.2 不同基底形貌对 ZnO 结构的影响53-54
• 5.3 静脉型光阳极在 DSSC 应用54-55
• 5.4 本章小结55-56
• 6 结论与展望56-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-64
• 附录64
• A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果64

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