染料敏化太阳能电池复合薄膜电极研究

【摘要】：太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源是解决能源危机的最佳途径之一。染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC）由于制作工艺简单、成本低、稳定并且对环境无污染等特点，具有重要的研究价值和良好的开发前景。目前，以TiO2作导电薄膜的染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转化效率最高已达11%。但是，单一纳米多孔薄膜电池的光电转换性能并不是很理想，由于纳晶多孔TiO2薄膜中存在着大量表面态，表面能级位于禁带之中，呈局域态构成陷阱，束缚了电子在薄膜中的运动，导致电子与电解质复合的概率增大，暗电流增加，效率降低。而适当的掺杂则可以增强其光电性能。研究发现，多元氧化物可以通过改变自身组成更自由的调节物理和化学性质，使多元氧化物的能带、工作方式、电阻系数很容易调节。NiAl2O4是一种窄禁带半导体，具有较好的可见光吸光性能、催化性、耐酸碱等优点，因而本实验采用尖晶石复合氧化物NiAl2O4掺杂TiO2光阳极进行改性，由于两种半导体的导带、价带、禁带宽度不一致而发生交叠，能扩展TiO2的光谱响应、提高TiO2薄膜电极的吸光度。 本论文采用醇水-共沉淀法制备NiAl2O4纳米粉体，然后粉体以不同比例加入TiO2纳米粉体中，球磨分散得到印刷浆料，用丝网印刷的方式在FTO导电玻璃上制备NiAl2O4/TiO2复合薄膜电极。文中考察了各种工艺参数对复合薄膜电极性能的影响，探讨了这些因素对电极的表面形貌、吸光度以及光电效应的影响，并最终确定一个最佳的掺杂比例。采用XRD分析了纳米粉体的晶型。采用SEM、UV-vis、太阳能电池测试仪等仪器分析了复合薄膜的表面形貌、吸光性能、光电性能。 实验结果表明：醇-水共沉淀法制备的NiAl2O4粒子比水溶液共沉淀法得到的粒径小，当醇-水比1：1时，所制得的样品粒子粒径趋于最小。掺杂纳米NiAl2O4粉体到TiO2浆料中可以提高电池的光电转化效率，当掺杂量为2%时，复合薄膜电极具有较好的光电性能，与纯TiO2薄膜电极相比，η提高了17.4%，达到5.93%；当掺杂量为3％时，电池的转化率为5.26%，相对于2%有所降低；因此要获得较高的电池性能，严格控制NiAl2O4掺杂量是非常必要的。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 复合薄膜 掺杂 NiAl2O4 醇-水共沉淀法 丝网印刷
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 引言10-12
• 第二章 文献综述12-31
• 2.1 染料敏化太阳能电池简介12-16
• 2.1.1 染料敏化太阳能电池的结构12-13
• 2.1.2 染料敏化太阳能电池的制备13-14
• 2.1.3 染料敏化太阳能电池的工作原理14-15
• 2.1.4 染料敏化太阳能电池的性能测试15-16
• 2.2 染料敏化太阳能电池光生电子的传输过程16-18
• 2.2.1 染料内部的光致电子转移16-17
• 2.2.1.1 染料与 TiO2的键合方式16
• 2.2.1.2 多吡啶钌络合物和联吡啶钌配合物的光致电子转移16-17
• 2.2.2 TiO2多孔膜中的电荷分离、迁移机理17-18
• 2.3 纳米二氧化钛膜的研究18-25
• 2.3.1 溶胶—凝胶法与丝网印刷在 TiO2电极制备中的应用19-21
• 2.3.1.1 溶胶—凝胶法的基本原理19
• 2.3.1.2 丝网印刷的基本原理和特点19-20
• 2.3.1.3 溶胶—凝胶法与丝网印刷在 TiO2电极制备中的应用20-21
• 2.3.2 二氧化钛膜改性的研究21-25
• 2.3.2.1 表面处理21-22
• 2.3.2.2 掺杂22-23
• 2.3.2.3 半导体复合23-25
• 2.3.2.4 高能量表面改性25
• 2.4 染料敏化剂的研究进展25-26
• 2.4.1 无机染料25-26
• 2.4.2 有机染料敏化剂26
• 2.4.3 多种染料协同敏化26
• 2.5 电解质研究进展26-27
• 2.5.1 液态电解质26-27
• 2.5.2 准固态电解质27
• 2.5.3 固态电解质27
• 2.6 染料敏化太阳能电池中对电极的研究27-28
• 2.6.1 Pt 反电极28
• 2.6.2 镍反电极28
• 2.6.3 碳反电极28
• 2.7 存在问题及发展趋势28-29
• 2.8 选题的目的和意义29-31
• 第三章 实验31-39
• 3.1 实验药品31-32
• 3.2 实验仪器32
• 3.3 样品的制备32-36
• 3.3.1 NiAl2O4纳米粉体的制备32-33
• 3.3.2 复合薄膜电极的制备33-35
• 3.3.2.1 导电玻璃基片的清洗33
• 3.3.2.2 致密 TiO2薄膜的制备33-34
• 3.3.2.3 NiAl2O4/TiO2复合薄膜的制备34-35
• 3.3.3 LiI/I2液体电解质的制备35
• 3.3.4 铂电极的制备35
• 3.3.5 N179 染料的制备35-36
• 3.3.6 染料敏化太阳能电池的组装36
• 3.4 分析测试36-37
• 3.4.1 X 射线衍射分析36
• 3.4.2 TEM 分析36
• 3.4.3 SEM 分析36
• 3.4.4 吸光度分析36
• 3.4.5 红外光谱分析36-37
• 3.4.6 粒度分析37
• 3.4.7 光电性能测试37
• 3.5 电池光电转换效率的计算37-39
• 第四章 结果与讨论39-57
• 4.1 纳米 NiAl2O4粉体的分析39-42
• 4.1.1 不同醇-水比对粉体晶粒度影响39-40
• 4.1.2 XRD 分析40
• 4.1.3 形貌与粒度分析40-41
• 4.1.4 红外光谱分析41-42
• 4.2 TiO2多孔膜制备条件的分析42-49
• 4.2.1 研磨时间对多孔膜的影响43
• 4.2.2 热处理温度对多孔膜的影响43-44
• 4.2.3 保温时间对多孔膜的影响44-45
• 4.2.4 膜厚对多孔膜的影响45-46
• 4.2.5 加入 OP 乳化剂和冰乙酸分散剂对多孔膜的影响46-49
• 4.2.5.1 SEM 表面形貌46-48
• 4.2.5.2 光伏特性曲线分析48-49
• 4.3 NiAl2O4/TiO2复合薄膜分析49-57
• 4.3.1 B 式样 TEM 分析49-50
• 4.3.2 NiAl2O4/TiO2复合薄膜吸光度分析50-51
• 4.3.3 NiAl2O4/TiO2复合薄膜 SEM 分析51-52
• 4.3.4 NiAl2O4/TiO2复合薄膜紫外-可见光吸光性能影响52-53
• 4.3.5 NiAl2O4/TiO2复合薄膜光伏性能分析53-55
• 4.3.6 聚乙二醇 PEG-6000 对电池电性能的影响55-57
• 第五章 结论57-58
• 参考文献58-63
• 致谢63-64
• 附录A 作者攻读硕士期间发表的论文及成果64

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