敏化太阳能电池的性能研究

【摘要】：进入21世纪以来,染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell,即DSSC)以其简单的制备工艺、低廉的成本优势逐渐成为了最具有前景的江南体育在线直播观看 产品之一。为进一步降低DSSC的成本,提高其稳定性,人们采用无机纳米品半导体量子点替代有机的染料敏化剂,研制出了新型量子点敏化太阳能电池(Quantum-Dot sensitized Solar Cell,即QDSC),其独有的特点使其成为光伏领域的研究热点。本文重点研究了四个方面的内容： (1)基于TiO2纳米颗粒多孔薄膜光阳极的DSSC的性能研究。采用溶胶凝胶法制备TiO2纳米颗粒,并将其与松油醇、乙基纤维素等混合后制成丝网印刷用浆料,通过丝网印刷技术获得TiO2纳米颗粒多孔薄膜,控制丝网印刷的次数可获得不同厚度的TiO2纳米颗粒多孔薄膜光阳极,采用SEM、TEM、XRD研究TiO2纳米颗粒的结构以及丝网印刷所得薄膜的形貌和结构,结果表明：TiO2纳米颗粒为锐钛矿结构。粒径大小约30nm,丝网印刷的TiO2纳米颗粒多孔薄膜中纳米颗粒分布均匀并形成疏松多孔的结构。将不同厚度的TiO2纳米颗粒多孔薄膜敏化后与I-/I-3电解液和Pt对电极组装成DSSCs,通过电池的J-V特性、单色光光子电子转化效率(IPCE)、电化学阻抗谱(EIS),光强调制光电流/电压谱(IMPS/IMVS)的测试,研究TiO2纳米颗粒多孔薄膜光阳极的厚度对电池的光伏性能、电子传输与复合特性的影响。结果表明：随着TiO2光阳极厚度从5μm逐渐增加到14μm,电池的光电转换效率从3.78%逐渐增加到5.75%,光电子在光阳极中的传输时间从2.33ms逐渐增加到8.95ms,电子扩散系数从4.57×10-5cm2/s增加到14.74×10-5cm2/s, DSSC中电子传输、复合和收集的过程相互竞争和相互制约,电子的扩散能力影响着电子的收集和电池的光电转换效率；电子被陷阱和表面态的俘获/脱俘过程相互竞争影响着电子寿命和扩散系数；光电子的复合与传输相互竞争,影响着光电子的收集效率。 (2)基于TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线复合薄膜光阳极DSSC的性能研究。采用溶胶凝胶法制备TiO2纳米颗粒粉体,水热合成法制备TiO2纳米线粉体,将TiO2纳米颗粒粉体和TiO2纳米线粉体按不同质量比混合并制备成浆料,利用丝网印刷技术制备厚度为14μm的复合薄膜,将复合薄膜进行敏化后与I-/I-3电解液和Pt对电极组装成DSSC,通过J-V特性、IPCE、EIS、IMPS/IMVS测试,研究光阳极薄膜中TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线的质量比对电池的光伏性能、电子传输和复合特性的影响。结果表明：随着纳米线比例的上升,电池的光电转化效率先减小后增大,在TiO2纳米颗粒：TiO2纳米线为75：25时达最高为2.77%,电子在光阳极中的传输时间及电子寿命先增大后减小,当复合光阳极中纳米线的比例从50%逐渐增加到75%时,电子在光阳极中的传输时间逐渐减小,扩散系数逐渐增大,复合光阳极中纳米线的比例从25%增加到50%时,光电子在光阳极中的传输时间逐渐增加,扩散系数逐渐较小 (3)CdS量子点敏化Ti02纳米线束阵列太阳能电池的性能研究。采用水热合成技术,以盐酸、去离水和酞酸丁反应前驱物,在FTO衬底上生长TiO2纳米线束阵列,以连续离子层吸附与反应法制备CdS量子点敏化TiO2纳米线束阵列光阳极。将具有不同敏化周期的TiO2纳米线束阵列光阳极与I-/I-3电解液和Pt对电极组装成QDSC,通过对电池的J-V特性、1PCE、IMPS测试研究不同和循环敏化周期对QDSC的光伏性能以及IPCE的影响,研究了敏化的循环周期对QDSC的光伏性能和电子传输的影响规律。结果表明：随着敏化循环周期的增加,CdS量子点的大小和密度都增加,光电转化效率先增大后减小,当敏化循环的周期为15次时取得最佳光伏性能,此时电池的短路电流密度0.61mA/cm2,开路电压0.65V,填充因子0.50,光电转换效率0.20%,光电子在光阳极中的扩散系数为3.20×10-6cm2/s,传输时间为2.10×10-2s。 (4)CdS量子点敏化TiO2纳米颗粒多孔薄膜太阳能电池的性能研究。依次研究了TiO2纳米颗粒多孔薄膜的厚度、CdS量子点敏化周期数对QDSC光伏性能的影响,并比较了多硫电解液和I-/I-3电解液对QDSC的性能影响。结果表明TiO2纳米颗粒多孔薄光阳极的最佳膜厚度为14μm,最佳CdS量子点敏化周期为20次,用I-/I-3电解液组装的QDSC的稳定性较差用多硫电解液组装的QDSC虽然稳定性得到了提高,但由于Pt对于S2-与电子反应的催化能力较弱和电解液的整体性能低下,使得填充因子较低,限制了电池的光电转化效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 量子点敏化太阳能电池 TiO_2纳米材料 光伏性能 电子传输与复合
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-13
• CONTENTS13-17
• 第一章 绪论17-33
• 1.1 研究意义17-18
• 1.2 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理18-20
• 1.2.1 DSSC结构18-19
• 1.2.2 DSSC工作原理19-20
• 1.3 燃料敏化太阳能电池的研究进展20-24
• 1.3.1 DSSC光阳极21-22
• 1.3.2 染料敏化剂22
• 1.3.3 电解液22-23
• 1.3.4 对电极23-24
• 1.3.5 DSSC的产业化前景24
• 1.4 量子点敏化太阳能电池的工作原理和研究现状24-27
• 1.4.1 无机半导体量子点的特点24-25
• 1.4.2 量子点敏化太阳能电池的特点及工作原理25-26
• 1.4.3 量子点敏化太阳能电池的研究现状26-27
• 1.5 敏化太阳能电池的测试分析技术27-31
• 1.5.1 敏化太阳能电池的J-V的特性及单色光光子-电子转换效率27-28
• 1.5.2 敏化太阳能电池的电化学阻抗谱测试技术28-30
• 1.5.3 敏化太阳能电池的强度调制光电流谱/光电压谱测试技术30-31
• 1.6 本论文研究内容、目标及创新性31-33
• 1.6.1 研究内容31-32
• 1.6.2 研究目标32
• 1.6.3 创新性32-33
• 第二章 光阳极厚度和结构对DSSC性能的影响33-56
• 2.1 实验仪器及材料33-34
• 2.1.1 实验仪器33-34
• 2.1.2 实验材料34
• 2.2 TiO_2光阳极薄膜的制备及表征34-40
• 2.2.1 TiO_2纳米颗粒的制备及其结构表征34-36
• 2.2.2 TiO_2纳米线的制备及其结构表征36-37
• 2.2.3 丝网印刷制备TiO_2纳米颗粒多孔薄膜光阳极37-39
• 2.2.4 TiO_2纳米多孔薄膜的表面形貌分析39-40
• 2.2.5 TiO_2纳米线/TiO_2纳米颗粒双层结构光阳极的制备40
• 2.3 TiO_2纳米多孔薄膜光阳极的厚度对DSSC性能的影响40-52
• 2.3.1 DSSC的组装40
• 2.3.2 DSSC的光伏性能分析40-42
• 2.3.3 DSSC内部电子的传输与复合机理42-43
• 2.3.4 DSSC的电化学阻抗谱分析43-48
• 2.3.5 DSSC的强度调制光电流谱/光电压谱分析48-52
• 2.4 TiO_2纳米线/TiO_2纳米颗粒双层结构光阳极的DSSC性能研究52-54
• 2.5 本章小结54-56
• 第三章 TiO_2纳米颗粒/TiO_2纳米线复合光阳极DSSC的性能研究56-68
• 3.1 一维TiO_2纳米结构在DSSC中的应用56-57
• 3.1.1 一维TiO_2纳米结构在DSSC中的应用研究56
• 3.1.2 TiO_2纳米线的制备方法56-57
• 3.2 TiO_2纳米颗粒/TiO_2纳米线复合光阳极薄膜的制备及表征57-59
• 3.2.1 TiO_2纳米颗粒/TiO_2纳米线复合光阳极薄膜的制备57-58
• 3.2.2 TiO_2纳米颗粒/TiO_2纳米线复合光阳极薄膜的表征58-59
• 3.3 基于复合薄膜光阳极的DSSC的组装及性能分析59-66
• 3.3.1 DSSC的组装及光伏性能分析59-60
• 3.3.2 DSSC的强度调制光电流/光电压谱分析60-63
• 3.3.3 DSSC的电化学阻抗谱分析63-66
• 3.4 本章小结66-68
• 第四章 CdS量子点敏化太阳能电池的性能研究68-84
• 4.1 实验仪器及材料68-69
• 4.1.1 实验仪器68
• 4.1.2 实验材料68-69
• 4.2 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的制备69-72
• 4.2.1 TiO_2纳米线束阵列薄膜的制备69-70
• 4.2.2 TiO_2纳米线束阵列薄膜的形貌和结构分析70-71
• 4.2.3 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列薄膜光阳极的制备71-72
• 4.3 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的性能研究72-77
• 4.3.1 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列的形貌、结构及成分分析72-74
• 4.3.2 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的光伏性能分析74-76
• 4.3.3 CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的电子传输特性分析76-77
• 4.4 CdS量子点敏化TiO_2纳米颗粒薄膜太阳能电池的性能研究77-82
• 4.4.1 多硫电解液的配制77
• 4.4.2 CdS量子点敏化TiO_2纳米颗粒多孔薄膜太阳能电池的组装及测试77-78
• 4.4.3 TiO_2纳米颗粒多孔薄膜光阳极的厚度QDSC光伏性能的影响78-79
• 4.4.4 敏化周期对QDSC的光伏性能的影响79-81
• 4.4.5 纳米线散射层对QDSC性能的影响81-82
• 4.5 本章小结82-84
• 全文总结与展望84-87
• 1 总结84-85
• 2 展望85-87
• 参考文献87-95
• 攻读硕士学位期间发表的论文95-97
• 致谢97

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