染料敏化太阳能电池光阳极材料的制备及性能研究

【摘要】：本论文研究了不同形貌TiO2（纳米粒子，微球）的制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用。实验中，分别采用微乳液法和水热合成法制备了TiO2纳米粒子，并组装电池分析其电化学性质。用另一水热合成体系，制备了TiO2微球，并将得到的TiO2微球应用于染料敏化太阳能电池光阳极的散射层，优化光阳极的结构，探讨加入散射层后对电池性能的影响。其主要工作内容如下： 1）采用微乳液法制备TiO2纳米粒子，研究了不同表面活性剂及其添加量对纳米TiO2粒子形貌的影响。选用CTAB和Tx-100两种表面活性剂，分别制备了粒径为10~15nm和20~25nm两种范围的纳米粒子。将得到的两种尺寸的TiO2粒子制备电极组装电池，发现20~25nm的TiO2粒子制备电极组装电池能够获得7.38%的光电转化效率。 2）以钛酸丁酯为钛源，选用二乙二醇为添加剂，采用水热合成法制备纳米TiO2粒子。得到分散均一稳定，表面缺陷态少，粒径范围在20nm左右，纯锐钛矿晶型的TiO2纳米粒子。水热过程中，水热温度、水热时间、水热环境pH条件都对纳米TiO2粒子的分散性能有重要影响。所制备的TiO2粒子在水热温度220℃，水热时间16h，水热环境pH在12左右，添加剂添加量为二乙二醇：TiO2（质量比）为2:1时，得到的粒子分散性良好，内部晶格排布整齐，缺陷态密度低，（101）晶面暴露在表层，电子的传输性能良好。由此粒子制备的电极组装电池获得了7.90%的高转化效率。 3）以TiCl4为钛源，乙醇为溶剂，引入聚乙烯吡咯烷酮（K-30）为添加剂，利用水热合成法，制备了表面粗糙，由小颗粒团聚而成的TiO2微球。K-30的添加量对TiO2微球的尺寸有很大的影响。通过改变K-30的添加量分别得到了尺寸为400nm，1μm，3μm左右的TiO2微球。 4）将制备的TiO2微球作为光散射中心，设计纯颗粒底层（透射层）+TiO2微球（散射层）的双层膜结构。这种双层膜结构能够充分利用微球的光反射能力和小颗粒的染料吸附能力，达到对光的最大利用。最终得到了8.11%的总光电转化效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 微乳液 水热 TiO2纳米粒子 TiO2微球 散射层
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;O614.411
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 文献综述8-21
• 1.1 引言8
• 1.2 太阳能电池的发展8-10
• 1.2.1 第一代太阳能电池8-9
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池9
• 1.2.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池9
• 1.2.4 染料敏化纳米晶太阳能电池9-10
• 1.3 染料敏化太阳能电池10-17
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的发展10-11
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的基本结构11-14
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池的工作原理14-15
• 1.3.4 染料敏化太阳能电池光电性能的评价15-17
• 1.4 TiO_2光阳极结构对 DSSC 光电性能的影响17-19
• 1.4.1 纳米 TiO_2粒子的研究17-18
• 1.4.2 大尺寸 TiO_2微球的研究18-19
• 1.4.3 TiO_2薄膜的光散射性能19
• 1.5 本课题的选题思路及研究内容19-21
• 第二章 微乳液法制备 TiO_2纳米粒子及组装电池的光电性能21-32
• 2.1 引言21-22
• 2.3 实验部分22-26
• 2.3.1 实验材料与实验仪器22-23
• 2.3.2 微乳液法制备 TiO_2纳米粒子23-24
• 2.3.3 DSSC 中 TiO_2纳米粒子薄膜电极的制备24-25
• 2.3.4 电解液的配置25
• 2.3.5 DSSC 的组装25
• 2.3.6 表征与电池性能测试25-26
• 2.4 结果与讨论26-31
• 2.4.1 TiO_2纳米粒子与组成的薄膜的的扫描电镜图26-27
• 2.4.2 TiO_2纳米粒子 XRD 测试结果27-28
• 2.4.3 TiO_2纳米粒子组成的薄膜电极的光电性能的结果28-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 水热法制备 TiO_2纳米粒子及组装电池的光电性能32-55
• 3.1 引言32
• 3.2 实验部分32-35
• 3.2.1 实验材料与实验仪器32-33
• 3.2.2 水热法制备 TiO_2纳米粒子33-34
• 3.2.3 DSSC 中 TiO_2纳米粒子薄膜电极的制备34
• 3.2.4 电解液的配置34
• 3.2.5 染料敏化太阳能电池的组装34
• 3.2.6 表征与电池性能测试34-35
• 3.3 结果与讨论35-53
• 3.3.1 水热时间的影响35-38
• 3.3.2 水热环境 pH 的影响38-41
• 3.3.3 水热温度的影响41-44
• 3.3.4 添加剂对水热反应的影响44-49
• 3.3.5 优化条件49-53
• 3.4 本章小结53-55
• 第四章 水热法制备 TiO_2微球并应用于散射层的研究55-71
• 4.1 引言55-56
• 4.2 实验部分56-58
• 4.2.1 实验材料与实验仪器56
• 4.2.2 水热合成法制备 TiO_2微球56-57
• 4.2.3 含散射层的光阳极的制备57
• 4.2.4 电解液的配置及电池的组装57-58
• 4.2.5 表征与电池性能测试58
• 4.3 结果与讨论58-69
• 4.3.1 TiO_2微球的基本性质表征58-64
• 4.3.2 TiO_2微球制备的散射层薄膜的性质64-68
• 4.3.3 优化条件68-69
• 4.4 小结69-71
• 第五章 结论71-72
• 参考文献72-80
• 发表论文和参加科研情况说明80-81
• 致谢81

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