染料敏化太阳能电池的大面积化工艺研究

【摘要】：化石能源的不断枯竭促使太阳能资源的开发利用成为社会的讨论和研究热点,特别是在纳米科技飞速发展的今天,将纳米半导体材料的独特性质与太阳能电池技术相结合并应用于染料敏化太阳能电池(DSC),已引起各国学者的广泛关注。传统的TiO2-DSC自1991年问世以来得到了普遍的研究,目前发展相对成熟,尽管已经实现了规模化生产,但范围十分有限。近年来备受关注的纳米ZnO以其高电子迁移率、宽禁带宽度和简易的形貌控制等优点被认为是TiO2的理想替代者,然而相对较低的光电转化效率依然是困扰ZnO基DSC发展的重要障碍。迄今关于ZnO-DSC的研究还局限在小面积范围,鲜有关于大面积ZnO-DSC的报道。本文主要针对大面积DSC的制备工艺展开研究,具体进展如下： 1)以ZnO纳米晶聚集体为光阳极材料,手动丝网印刷4次得到厚度-22μm的光阳极薄膜,制得活性面积为18.24cm2的DSC,具有11.06mA-cm-2的短路电流和0.64V的开路电压,光电转换效率为2.56%； 2)使用浸泡法向ZnO薄膜表面引入TiO2超薄层来构建ZnO-TiO2核壳结构,可以有效抑制ZnO/染料/电解质溶液界面的电子复合,提高DSC的开路电压；同时加强了电子收集效率,增加DSC的短路电流；最终得到DSC的光电参数为短路电流12.35mA·cm-2,开路电压为0.68V,光电转化效率3.19%； 3)改进丝网印刷的浆料组成,向其中添加乙酸来修饰ZnO,阳极薄膜的比表面积由26.9m2·g-1增大到30.8m2·g-1,进而促使染料吸附量从1.867×10-7mol·cm-2增加到2.832×10-7mol·cm-,■最终制得的大面积ZnO-DSC的短路电流达到11.78mA-cm-2,光电转换效率为3.14%； 4)使用上述两种方法来协同提到ZnO-DSC的性能,最终制得的活性面积为18.24cm2的DSC,短路电流11.95mA·cm-2,开路电压为0.69V,光电转化效率3.47%； 5)使用半自动丝网印刷机制备Ti02光阳极薄膜,建立多组平行实验优化大面积TiO2-DSC封装工艺,最终确定100μm厚的Surlyn膜作为封装材料,采用0.5MPa的压力,110℃热压温度,热压25s后将DSC旋转900继续热压25s的方法封装电池,制备的10×10cm2的大面积单片TiO2-DSC在户外测试条件下寿命达到30天。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 大面积化 制备工艺 ZnO TiO_2
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-36
• 1.1 引言14-15
• 1.2 太阳能与太阳能电池15-18
• 1.2.1 太阳能利用15-17
• 1.2.2 太阳能电池发展历史17-18
• 1.3 纳米材料18-21
• 1.3.1 纳米半导体材料18-19
• 1.3.2 纳米ZnO材料19-21
• 1.4 染料敏化太阳能电池工作原理21-23
• 1.5 典型的染料敏化太阳能电池结构23-29
• 1.5.1 光阳极24-25
• 1.5.2 染料敏化剂25-27
• 1.5.3 电解质27-29
• 1.5.4 对电极29
• 1.6 大面积染料敏化太阳能电池的发展现状29-34
• 1.6.1 大面积DSC的种类29-32
• 1.6.2 产业化现状32-33
• 1.6.3 存在问题及前景展望33-34
• 1.7 选题目的、意义及研究内容34-36
• 第二章 染料敏化太阳能电池的制备及表征方法36-46
• 2.1 实验药品及实验仪器36-37
• 2.2 大面积ZnO-DSC结构设计37-38
• 2.3 阳极材料的制备及表征38-40
• 2.3.1 阳极膜材料的制备38-39
• 2.3.2 样品的表征39-40
• 2.4 染料敏化太阳能电池的制备及表征40-46
• 2.4.1 DSC制备工艺40-42
• 2.4.2 DSC性能测试42-46
• 第三章 大面积ZnO-DSC的制备及性能优化46-60
• 3.1 ZnO纳晶聚集体制备条件的选择46-47
• 3.2 ZnO阳极薄膜厚度的优化47-49
• 3.3 TiO_2保护层修饰ZnO阳极薄膜49-55
• 3.3.1 TiO_2层修饰的ZnO-DSC制备50-51
• 3.3.2 阳极薄膜的形貌表征51-52
• 3.3.3 ZnO薄膜的物性测试52-54
• 3.3.4 光伏性能研究54-55
• 3.4 DSC浆料组成的优化55-58
• 3.4.1 乙酸修饰的ZnO-DSC制备55-56
• 3.4.2 ZnO阳极薄膜的形貌表征56-57
• 3.4.3 ZnO薄膜的物性测试57-58
• 3.5 大面积ZnO-DSC制备58
• 3.6 本章小结58-60
• 第四章 大面积TiO_2-DSC的制备60-66
• 4.1 实验药品及实验仪器60-61
• 4.2 大面积TiO_2-DSC结构设计61-62
• 4.3 大面积TiO_2-DSC制备工艺62-63
• 4.3.1 TiO_2光阳极的制备62-63
• 4.3.2 对电极制备63
• 4.4 大面积TiO_2-DSC封装工艺的探索63-64
• 4.5 大面积TiO_2-DSC寿命考察64
• 4.6 本章小结64-66
• 第五章 结论66-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-76
• 作者攻读学位期间的研究成果和发表的学术论文目录76-78
• 作者与导师简介78-79
• 附件79-80

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