染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其光电性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)被认为是未来光伏产业发展有前景的方向之一。目前作为DSSC主要光阳极材料是Ti02。TiO2禁带宽度约为3.2eV,只能吸收太阳光当中3～5%的紫外部分,同时由于TiO2半导体的载流子传输速率较低,光生电子-空穴复合几率大,因此基于TiO2光催化剂的染料敏化太阳能电池对光的利用效率相对较低,新型光阳极材料的研究是国内外的研究热点。 本论文通过对TiO2薄膜进行与嵌碳TiO2微球复合增加TiO2载流子传输速率、来提高TiO2染料敏化太阳能电池的光电性能；另外,本论文还研究了Li4Ti5O12和TaO05来替代TiO2,作为DSSC的光阳极,探讨了替代TiO2的可行性。 本论文的主要研究结果如下： 采用火焰辅助热解方法制备了球状嵌碳二氧化钛粉末,并分别通过X射线衍射,扫描电镜,X射线能量色散谱对样品的结构、表面形貌和元素成分等进行了研究。由制得的二氧化钛微球和商用P25复合通过丝网印刷方法制备DSSC光阳极,发现适量的嵌碳二氧化钛微球可提升DSSC的光电性能。当二氧化钛微球含量为10%wt时,DSSC短路电流为4.15mA cm-2,开路电压为0.79V,填充因子为0.47,能量转换效率为1.55%,为单纯P25光阳极DSSC的1.47倍(1.05%)。光阳极中引入的二氧化钛微球提升了光生电子的传输速度,并减少了光生电子和空穴的复合。 利用旋涂法制备Li4Ti5O12(LTO)薄膜,同时制备了LTO-炭黑复合薄膜,研究了LTO薄膜及其复合薄膜的光电化学性能。随着炭黑的含量增多,紫外-可见光下复合薄膜的光电流逐渐增大,载流子传输速度增加；但是在可见光照射下,无论是纯的LTO还是LTO-炭黑复合薄膜都没有光响应。之后将LTO-炭黑复合薄膜应用于染料敏化太阳能电池中,结果表明LTO-炭黑复合薄膜的光伏特性较弱,短路光电流密度只有0.0088mA cm-2,DSSC的效率较低。 采用一步火焰辅助热解法制备了Ta2O5微球。得到的Ta2O5微球尺寸在0.5～1.0μm之间,微球由Ta2O5纳米颗粒组成。用丝网印刷的方法将Ta2O5微球印刷在FTO导电玻璃表面制成薄膜光阳极,并组装DSSC电池。根据乙醇钽/乙醇的体积比,制备了1：5、1：10、1：15三种光阳极DSSC。其中Ta2O5(1：10)微球光阳极DSSC的光电性能最好,短路电流为0.032mA cm-2,开路电压为0.51V,填充因子为0.34,总的光电转换效率为0.0057%。对Ta2O5微球进行了光降解亚甲基蓝实验,结果表明,与商用Ta2O5粉末相比,Ta2O5微球光催化活性更好。基于Ta2O5光阳极DSSC相对于传统的ZiO2光阳极DSSC在光电性能上还存在很大差距,本文提供了一种简单易行的制备Ta2O5微球纳米颗粒的方法。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 TiO_2薄膜 半导体材料 光阳极 丝网印刷 微球形貌
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第一章 绪论9-22
• 引言9-10
• 1.1 染料敏化太阳能电池的基本结构10-16
• 1.1.1 纳米晶多孔半导体电极10-12
• 1.1.2 电解质12-13
• 1.1.3 全色敏化剂(染料)13-14
• 1.1.4 对电极14-16
• 1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理和评价参数16-19
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的工作原理16-17
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的评价参数17-19
• 1.3 二氧化钛薄膜光阳极的研究进展19-20
• 1.4 本论文的选题依据和研究内容20-22
• 第二章 实验材料、条件及实验方法22-26
• 2.1 实验试剂和仪器22-24
• 2.1.1 实验试剂22-23
• 2.1.2 实验仪器及设备23-24
• 2.2 表征手段24-26
• 2.2.1 结构和形貌表征24
• 2.2.2 电化学交流阻抗谱测试24
• 2.2.3 光电化学性能测试24-25
• 2.2.4 DSSC光电性能测试25-26
• 第三章 嵌碳二氧化钛微球和P25复合光阳极染料敏化太阳能电池26-35
• 3.1 前言26-27
• 3.2 嵌碳二氧化钛光阳极的制备过程27
• 3.2.1 嵌碳二氧化钛粉末的制备27
• 3.2.2 光阳极的制备27
• 3.2.3 DSSC的组装27
• 3.3 嵌碳二氧化钛微球和DSSC的物理化学性能27-33
• 3.3.1 嵌碳二氧化钛微球的晶型和物理形貌表征27-30
• 3.3.2 光阳极的结构与形貌30-31
• 3.3.3 DSSC的光电性能31-33
• 3.4 本章小结33-35
• 第四章 Li_4Ti_5O_(12)的光电化学性能及其在染料敏化太阳能电池光阳极中的应用35-41
• 4.1 前言35
• 4.2 Li_4Ti_5O_(12)(LTO)光阳极及DSSC的制备35-36
• 4.2.1 旋涂溶胶的制备35
• 4.2.2 旋涂法制备LTO电极35-36
• 4.2.3 LTO薄膜光阳极的DSSC制备36
• 4.3 LTO光阳极及DSSC的物理化学性能36-39
• 4.3.1 LTO薄膜表面形貌的测量36-38
• 4.3.2 LTO薄膜光电化学性能的测量38-39
• 4.3.3 LTO薄膜光阳极DSSC光电性能测量39
• 4.4 本章小结39-41
• 第五章 一步火焰燃烧辅助法制备Ta_2O_5微球及其在染料敏化太阳能电池光阳极中的应用41-49
• 5.1 前言41
• 5.2 Ta_2O_5微球光阳极及DSSC的制备41-43
• 5.2.1 Ta_2O_5微球的合成41-42
• 5.2.2 光阳极的制备42
• 5.2.3 DSSC的组装42
• 5.2.4 光降解亚甲基蓝42-43
• 5.3 Ta_2O_5微球光阳极及DSSC的物理化学性能43-48
• 5.3.1 Ta_2O_5微球的晶型和物理形貌表征43-45
• 5.3.2 Ta_2O_5微球的光吸收性能45-46
• 5.3.3 Ta_2O_5微球的光催化性能46-47
• 5.3.4 Ta_2O_5微球光阳极DSSC的光电性能47-48
• 5.4 本章小结48-49
• 第六章 总结与展望49-51
• 6.1 总结49-50
• 6.2 展望50-51
• 参考文献51-58
• 攻读硕士学位期间的科研成果58-59
• 攻读硕士学位期间的奖励59-60
• 致谢60-61

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