基于结构和材料耦合的染料敏化太阳能电池的研究

【摘要】：近年来，太阳能作为一种可代替传统化石燃料的清洁能源得到了越来越广泛的关注，能源危机，温室效应已经使开发这种新型能源便得越来越刻不容缓。染料敏化太阳能电池因其造价低廉，制作方式简单，要求较低而吸引了世界各国学者的注意。然而，当前的染料敏化太阳能电池的效率仍然比较低，难以广泛应用，为此本文中，需要解决的核心问题是如何提高染料敏化太阳能电池的效率，早日实现其产业化。本文采用光子晶体结构和纳米金粒子制备染料敏化太阳能电池，另辟蹊径，分别通过结构耦合共振和材料耦合协同作用两种原理，从理论计算出发，结合实验验证，成功得制备了不同结构、材料的电池，大幅度提升了染料敏化太阳能电池的效率。其中，结构耦合共振是指光子晶体结构与纳米金阵列结合，通过两种周期性结构共同对调控入射光，在某些频率下产生强烈的共振现象，将染料敏化太阳能电池的效率提升了41%。材料耦合协同作用是指利用纳米金粒子与染料之间的协同作用，采用多种染料共同敏化电池，将效率提升了43%。为此，制备的染料敏化太阳能电池效率获得了大幅的提升，距离实际应用更近了一步。另外，这两种方法在太阳能电池的应用上具有独特的创新性以及普适性，完全适用于薄膜太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等等。随着材料的日益复杂化，这种耦合的概念也必然会在其他材料领域得到广泛的应用。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 光子晶体 纳米金 结构共振 材料耦合
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O734
【目录】：

• 附件5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 第一章 . 绪论11-35
• 1.1 太阳能电池11-25
• 1.1.1 太阳能电池简介11-14
• 1.1.2 染料敏化太阳能电池14-16
• 1.1.3 太阳能电池的表征方法16-25
• 1.2 光子晶体25-30
• 1.2.1 光子晶体的种类26-27
• 1.2.2 光子晶体的模拟计算方法27-29
• 1.2.3 光子晶体产生光吸收增强现象的两种机理29-30
• 1.3 纳米金的局域表面等离子体共振效应30-32
• 1.3.1 纳米金的应用背景30-31
• 1.3.2 纳米金与染料的相互作用31-32
• 1.4 本文内容32-35
• 1.4.1 结构耦合共振增强 DSSC 效率32-33
• 1.4.2 材料耦合协同作用增强 DSSC 效率33-34
• 1.4.3 文章结构34-35
• 第二章 . 光子晶体的光学特性35-50
• 2.1 光子晶体制备和理论计算方法35-38
• 2.1.1 所需材料35
• 2.1.2 聚苯乙烯正模板光子晶体的制备35-37
• 2.1.3 二氧化钛反模板结构光子晶体的制备37
• 2.1.4 光子晶体表征方法37-38
• 2.1.5 理论模拟方法38
• 2.2 光子晶体的形貌分析38-42
• 2.2.1 宏观形貌38-39
• 2.2.2 光子晶体的微观形貌39-40
• 2.2.3 二氧化钛晶体的晶型40-42
• 2.3 光子晶体光学测试与理论计算结果42-47
• 2.4 最适合制备 DSSC 的反模板结构参数47-48
• 2.5 本章小结48-50
• 第三章 . 光子晶体反模板结构的 DSSC 的性质50-58
• 3.1 DSSC 的组装、表征方法50-53
• 3.1.1 所需材料50
• 3.1.2 双层结构 DSSC 电极的制备50-52
• 3.1.3 DSSC 的组装52-53
• 3.1.4 DSSC 的表征方法53
• 3.2 工作电极的形貌分析53-55
• 3.3 DSSC 的表征55-56
• 3.3.1 染料敏化电池的 I-V 曲线和 IPCE 曲线表征55-56
• 3.4 本章小结56-58
• 第四章 . 利用纳米金阵列与光子晶体的共振耦合提高 DSSC 的光电转化效率58-70
• 4.1 纳米金及掺杂纳米金的光子晶体 DSSC 制备方法58-60
• 4.1.1 所需材料58-59
• 4.1.2 纳米金的制备方法59
• 4.1.3 掺杂纳米金的光子晶体 DSSC 制备方法59-60
• 4.1.4 纳米金及电池的表征方法60
• 4.2 纳米金阵列的能级曲线计算60-62
• 4.3 纳米金溶液的形貌及性质62-63
• 4.4 纳米金三维阵列与光子晶体的能带曲线图63-64
• 4.5 掺杂纳米金的光子晶体 DSSC 的光学特性64-66
• 4.6 掺杂纳米金的光子晶体 DSSC 的光电转化特性66-69
• 4.7 本章小结69-70
• 第五章 . 纳米金粒子与染料对耦合提高 DSSC 的光电转化效率70-89
• 5.1 多染料敏化 DSSC 的研究背景70-71
• 5.2 双层染料吸附的空间构型71-72
• 5.3 纳米金与染料对之间的作用机理假设72-74
• 5.4 纳米金掺杂的双染料共敏化太阳能电池的制备方法74-75
• 5.4.1 所需材料74
• 5.4.2 包覆二氧化硅的纳米金的制备方法74-75
• 5.4.3 掺杂纳米金的双层染料敏化 DSSC 的制备方法75
• 5.5 纳米金掺杂的二氧化钛电极的形貌表征75-77
• 5.6 双层染料敏化电极的光学性质77-81
• 5.7 双层染料敏化电极 DSSC 的光电转换效率81-85
• 5.8 双层染料敏化对电子在界面上传输的影响85-88
• 5.9 本章小结88-89
• 第六章 . 全文总结89-91
• 参考文献91-99
• 致谢99-100
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文100

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