低成本染料敏化太阳能电池的制备及性能研究

【摘要】：实现成本低廉、储量丰富、环境友好的太阳能发电,是人类一直梦寐以求的追求。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)属于第三代新型薄膜太阳能电池。DSSC由光阳极、电解液和对电极三部分组成。通常对电极为贵金属铂(Pt),然而Pt价格昂贵,增加了DSSC的成本,限制了DSSC的大规模生产。碳材料具有储量丰富、价格低廉、催化活性高等优点,有望代替Pt电极。但是碳材料与导电基板(FTO)之间的附着力差,严重影响对电极和DSSC的稳定性。传统的“三明治”式DSSC采用两块FTO制备电池,而FTO的成本占了整个电池成本的50%,因此替代或减少FTO的用量将会大幅降低DSSC的成本。因此本文通过添加粘结剂的方法提高碳材料和导电基板之间的附着力。此外,通过制备使用一块FTO和使用单一导电基底的电池实现电池的低成本化。 首先,本文以导电碳浆(CC)为粘结剂、色素碳(Cd)为催化剂,成功制备出附着力优异的碳对电极(Cd-CC),对其催化活性进行了表征。研究结果表明Cd-CC不但导电性好,而且催化活性高。将其组装成DSSC,能量转换效率达到了6.69%,并且光照600h后电池的稳定性依然很好。将此种方法推广应用在其它碳材料和金属碳化物中,均取得了较好的效果。 其次,本文利用CC的高导电性来替代FTO,制备了由一块导电玻璃和一块普通玻璃组成的新型结构电池(L-DSSC)。对L-DSSC的隔离层和碳对电极进行优化考察,研究结果表明,当采用25nm Ti02为隔离层时,L-DSSC的光电流较高；增加碳催化剂量、对其进行载Pt、高温烧结均有利于提高碳对电极的催化活性,进而提高电池的效率,其能量转换效率从2.17%提高到6.98%。 最后,本文采用全丝网印刷工艺成功制备了使用单一导电基底的单基板染料敏化太阳能电池(M-DSSC)。在活性面积为0.4cm2的M-DSSC中对隔离层粒径和厚度、对电极碳层中石墨粒径和造孔剂(PVDF)添加量进行了考察。研究结果表明,隔离层中ZrO2/TiO2为6：1、膜厚为3.5μm时,对电极碳层采用较大粒子的石墨并加入20%的PVDF时能量转换效率达到8.53%,这是目前小面积M-DSSC的最高效率。对大面积M-DSSC的光阳极活性层、电解液和构型进行了优化考察,研究结果表明,光阳极变窄有利于提高光电流,基于不同溶剂(乙腈、MPN、离子液体、拟固态)电解液的大面积M-DSSC的能量转换效率分别达到了5.79%、4.96%、3.06%、4.16%。M-DSSC在经过长达2000h的自然光照射后,各项光电参数没有明显变化,电池稳定性非常好。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 碳对电极 隔离层 单基板 能量转换效率
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文献综述11-26
• 1.1 DSSC的发展及研究现状11
• 1.2 DSSC的结构、工作原理及光电性能参数11-17
• 1.2.1 DSSC的结构11-13
• 1.2.2 DSSC的工作原理13-14
• 1.2.3 DSSC的光电性能参数14-17
• 1.2.3.1 单色光能量转换效率(IPCE)15-16
• 1.2.3.2 光电流密度-光电压曲线(J-V)16-17
• 1.3 碳对电极的发展及研究现状17-20
• 1.3.1 对电极催化材料17
• 1.3.2 碳材料对电极在DSSC中的研究现状17-20
• 1.4 单基板染料敏化太阳能电池(M-DSSC)的研究进展20-25
• 1.4.1 M-DSSC的特点20-21
• 1.4.2 M-DSSC的研究进展21-25
• 1.5 课题研究目的和研究内容25-26
• 2 实验部分26-34
• 2.1 实验材料和仪器26-28
• 2.1.1 实验材料26-27
• 2.1.2 实验仪器27-28
• 2.2 DSSC的制备28-31
• 2.2.1 基板的刻蚀及清洗28
• 2.2.2 光阳极的制备28
• 2.2.3 隔离层的制备28-29
• 2.2.4 碳对电极的制备29-30
• 2.2.4.1 “三明治”DSSC的碳对电极制备29
• 2.2.4.2 新型L-DSSC的碳对电极制备29
• 2.2.4.3 M-DSSC的碳对电极制备29-30
• 2.2.5 电解液30
• 2.2.6 电池的组装30-31
• 2.3 DSSC的分析测试方法31-34
• 2.3.1 场发射电子扫描电子显微镜31
• 2.3.2 循环伏安测试31-32
• 2.3.3 光电性能测试32
• 2.3.4 电化学阻抗谱测试32-34
• 3 附着性能优异的碳对电极的制备及在DSSC中的应用34-44
• 3.1 附着力优异的碳对电极的性能测试34-39
• 3.1.1 导电碳浆CC焙烧温度的考察34-35
• 3.1.2 碳对电极附着性能及耐溶剂性35-36
• 3.1.3 碳对电极的物理性能36
• 3.1.4 碳对电极的电化学催化性能36-39
• 3.1.4.1 碳对电极的CV测试36-37
• 3.1.4.2 碳对电极的EIS测试37-39
• 3.2 DSSC光电性能表征39-40
• 3.3 CC含量对DSSC光电性能的影响40-41
• 3.4 CC对电池稳定性能的影响41-42
• 3.5 CC在其它碳化物对电极中的应用42-43
• 3.6 本章小结43-44
• 4 新型“L”型电池(L-DSSC)的制备及性能表征44-56
• 4.1 非FTO对电极的表征与性能44-45
• 4.2 新型L-DSSC45-46
• 4.3 隔离层对L-DSSC性能的影响46-49
• 4.3.1 不同隔离层的电化学性能46-47
• 4.3.2 不同隔离层L-DSSC的光电性能的表征47-49
• 4.4 “L”型碳对电极催化活性对L-DSSC性能的影响49-54
• 4.4.1 催化剂含量49-51
• 4.4.2 载Pt二元催化剂51-53
• 4.4.3 烧结温度53-54
• 4.5 碳对电极的印刷54-55
• 4.6 本章小结55-56
• 5 单基板染料敏化太阳能电池(M-DSSC)的制备及性能研究56-71
• 5.1 M-DSSC的结构56
• 5.2 小面积M-DSSC的性能研究56-64
• 5.2.1 隔离层的优化56-61
• 5.2.1.1 隔离层粒径大小57-58
• 5.2.1.2 隔离层厚度58-61
• 5.2.2 对电极碳层的优化61-64
• 5.2.2.1 碳层造孔剂含量61-62
• 5.2.2.2 碳层石墨粒径大小62-64
• 5.3 大面积M-DSSC的高效化研究64-69
• 5.3.1 大面积M-DSSC模组64-65
• 5.3.2 光阳极浆料65
• 5.3.3 光阳极厚度65-66
• 5.3.4 电解液66-67
• 5.3.5 器件构型67-69
• 5.4 大面积M-DSSC的耐久性研究69-70
• 5.5 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书79

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