染料敏化TiO_2太阳能电池光阳极的制备及性能研究

【摘要】：自从1991年Gratzel首次提出染料敏化纳米多孔薄膜太阳能电池（简称DSSC）以来，经过了二十多年的发展，染料敏化电池研究有了很大的进步。在当今能源为主导的时代，染料敏化太阳能电池作为新兴的能源研究得到了广泛的重视。染料敏化太阳能电池作为新一代的太阳能电池有着不同于传统太阳能电池的优点，其制作成本低、制作工艺简单、对环境无污染。不仅如此，染料敏化太阳能电池还有较高的理论光电转换率，应用前景广泛。在染料敏化太阳能电池中，纳米多孔薄膜是整个电池的核心，其直接决定了光电子的产生和传输，从而影响光电效率。本文以纳米TiO_2多孔薄膜光阳极为研究重点，系统地研究了光阳极的制备工艺并对其进行了掺杂改性。 首先通过对薄膜吸附性能的考察，研究了制备TiO_2多孔薄膜光阳极的工艺，在此研究过程中采用了染料解吸法评估染料吸附量，并通过对正交数据统计分析研究确定最佳工艺，即TiO_2薄膜电极的烧结条件为：以2℃/min速率升温至450℃，烧结50min后，随炉冷却。浸泡条件为：薄膜电极冷却至60℃时放入浓度为5×10~(-4)mol/L的N719染料中浸泡12h，在最佳的烧结条件和染料浸泡条件下，用此光阳极组装的电池具有最佳的性能。 其次用TiCl4溶液对TiO_2多孔薄膜光阳极进行改性处理，研究发现TiCl4处理能明显提高DSSC电池性能，其中TiCl4处理溶液浓度为0.05mol/L，浸泡0.5h时效果最佳，并且玻璃基底和TiO_2薄膜都处理的电池光电转换效率较没有处理的基础上提高了47%，达到了4.17%。 另外，本文还对TiO_2多孔薄膜光阳极进行了ZnO掺杂改性研究。首先研究了不同乙酸锌溶液浸泡浓度对TiO_2薄膜电极的性能影响，研究发现当乙酸锌溶液浓度为0.3mol/L时，制备出的电池性能最好；其次，还对不同复合浆料制备的电池进行了性能研究比较，实验采用三种浆料：TiO_2浆料，C_4H_6O_4Zn·2H2O-TiO_2复合浆料，ZnO-TiO_2复合浆料，其中C_4H_6O_4Zn·2H2O-TiO_2复合浆料制备的DSSC效率最高达到了3.90%，比纯TiO_2浆料提高了24%。 【关键词】：染料敏化 太能电池 纳米TiO_2 多孔薄膜 光阳极
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-21
• 1.1 引言8
• 1.2 DSSC 电池的基本结构及其工作原理8-10
• 1.2.1 结构8-9
• 1.2.2 工作原理9-10
• 1.3 影响 DSSC 太阳能电池转换效率的主要因素10-14
• 1.3.1 TiO_2纳米多孔膜10-11
• 1.3.2 染料敏化剂11-13
• 1.3.3 电解质13
• 1.3.4 对电极13-14
• 1.4 DSSC 光电转化率的优化14-15
• 1.4.1 电解液组分的调整14
• 1.4.2 可移动的电解液离子14
• 1.4.3 TiO_2表面的钝化14-15
• 1.4.4 注入电子传输的“定向通道”15
• 1.5 DSSC 性能参数15-17
• 1.5.1 短路电流密度 Jsc16
• 1.5.2 开路电压 Voc16
• 1.5.3 填充因子ff16-17
• 1.5.4 电池光电转换效率η17
• 1.6 国内外 DSSC 研究现状17-20
• 1.6.1 目前常用制备方法17
• 1.6.2 太阳能电池效率现状17-20
• 1.7 本文研究内容20-21
• 2 DSSC 制备工艺研究21-34
• 2.1 引言21
• 2.2 实验部分21-28
• 2.2.1 实验试剂、设备与仪器21-23
• 2.2.2 DSSC 制备工艺23-26
• 2.2.3 正交试验26-28
• 2.3 实验结果与分析28-33
• 2.3.1 染料吸附性能分析28-32
• 2.3.2 电池性能测试分析32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 3 TiCl_4溶液对 DSSC 性能优化研究34-45
• 3.1 引言34
• 3.2 TiCl_4溶液优化原理34-35
• 3.2.1 TiCl_4溶液预处理 FTO 导电玻璃35
• 3.2.2 TiCl_4溶液优化处理 TiO_2多孔薄膜35
• 3.3 实验过程35-37
• 3.4 TiCl_4优化处理样品表征37
• 3.5 实验结果与分析37-43
• 3.5.1 TiCl_4溶液预处理 FTO 导电玻璃研究37-39
• 3.5.2 TiCl_4溶液优化处理 TiO_2多孔薄膜研究39-43
• 3.6 本章小结43-45
• 4 ZnO 对 DSSC 调制改性研究45-56
• 4.1 引言45-46
• 4.2 实验部分46-48
• 4.2.1 实验材料与设备46
• 4.2.2 实验工艺流程46-48
• 4.3 实验结果及分析48-55
• 4.3.1 TiO_2/ZnO 双层膜光阳极的性能研究48-51
• 4.3.2 ZnO-TiO_2复合薄膜光阳极的性能研究51-54
• 4.3.3 ZnO 对 DSSC 性能的影响研究54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 5 结论、待解决的问题以及今后的研究重点56-58
• 参考文献58-60
• 攻读硕士学位期间学术论文及科研成果60-61
• 致谢61-62

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