染料敏化太阳能电池的制备及光电性能的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池（DSSC）主要是通过对植物叶子光合作用原理的模仿，基于纳米技术发展起来的一种新型光电化学太阳能电池。由于其价格低廉、制作工艺相对其他种类电池简单，且具有易于大面积工业化生产的潜力，同时其所有原材料和生产工艺都是安全无毒、无污染的，其中一些材料还可以得到充分的回收和有效利用，对保护人类环境具有重要的意义。本文通过粉末涂敷法制备了纯TiO_2薄膜光阳电极，同时在纯TiO_2薄膜中引入半导体ZnO制备成ZnO/TiO_2复合薄膜光阳电极，利用XRD、SEM和紫外-可见光-近红外分光现代手段对所制备的薄膜的晶型、表面形貌和光学性能进行了表征，然后对由其所组装成的电池进行了光电性能测试。 通过正交试验，对粉末涂敷法制备TiO_2薄膜的工艺参数进行优化，选取了主要的四个影响因素即乙酰丙酮、OP乳化剂、蒸馏水的量和研磨时间进行研究。实验结果表明，通过粉末涂敷法所制备的TiO_2薄膜为锐钛矿和金红石相混晶结构，但锐钛矿相占主导地位，纯度较高，在[101]面具有一定的择优取向；得到的最优工艺参数为乙酰丙酮0.2ml，蒸馏水10ml，OP乳化剂0.1ml和研磨时间60分钟时，所制备的薄膜具有较好的光电性能，光电转换效率为4.51%。 本文在由粉末涂敷法最优工艺参数条件下所制备的TiO_2薄膜中引入宽禁带半导体材料ZnO，对其进行复合得到ZnO/TiO_2复合薄膜。借助紫外-可见光-近红外分光光度计和场发射扫描电子显微镜对ZnO/TiO_2复合薄膜电极进行紫外-可见光学性能和表面形貌进行了表征，研究了在制备复合薄膜过程中浸泡时间对薄膜光电性能的影响，并与纯TiO_2薄膜进行了对比。结果表明，在浸泡时间为80分钟时，所制备的复合薄膜在厚度上比较适中，且能极大的降低暗电流的产生，改善电极的禁带结构，电池的光电性能最佳，达到4.99%，与纯TiO_2薄膜相比，光电转换效率提高了10.6%。 【关键词】：DSSC 光阳极 TiO_2薄膜 ZnO/ TiO_2复合薄膜 光电转换效率
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 主要符号表11-12
• 第1章 绪论12-17
• 1.1 太阳能电池研究背景12-13
• 1.2 太阳能电池的分类13-15
• 1.3 染料敏化太阳能电池的应用15-16
• 1.4 本课题的研究目的与意义16
• 1.5 研究内容16-17
• 第2章 染料敏化太阳能电池的制备与性能表征17-39
• 2.1 染料敏化太阳能电池的结构与工作原理17-24
• 2.2 二氧化钛薄膜的性质和制备方法24-27
• 2.2.1 二氧化钛薄膜的性质24-26
• 2.2.2 二氧化钛薄膜的制备方法26-27
• 2.3 实验27-32
• 2.3.1 实验材料28
• 2.3.2 实验仪器28
• 2.3.3 准备工作28-29
• 2.3.4 TiO_2薄膜光阳极的制备29-30
• 2.3.5 ZnO/TiO_2复合薄膜光阳极的制备30
• 2.3.6 铂对电极的制备30-31
• 2.3.7 染料敏化太阳能电池的组装31-32
• 2.4 染料敏化太阳能电池测试32-33
• 2.5 染料敏化太阳能电池性能参数33-35
• 2.5.1 短路电流（ISC）与开路电压（VOC）34
• 2.5.2 填充因子（FF）34-35
• 2.5.3 光电转换效率（η）35
• 2.5.4 入射单色光-电转化效率（IPCE）35
• 2.6 TiO_2薄膜结构的分析与形貌的表征35-38
• 2.6.1 TiO_2薄膜的晶体结构分析（XRD 法）35-37
• 2.6.2 TiO_2薄膜表面形貌的观测37-38
• 2.7 薄膜光学性能的测定38-39
• 第3章 纳米 TiO_2薄膜光阳极的制备及光电性能研究39-48
• 3.1 实验的设计39
• 3.2 正交实验测量结果39-40
• 3.3 实验结果分析40-46
• 3.3.1 TiO_2薄膜阳极 X 射线衍射（XRD）分析40-42
• 3.3.2 TiO_2薄膜阳极的形貌分析42-43
• 3.3.3 光电性能测试43-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第4章 ZnO/ TiO_2复合薄膜的制备及光电性能的研究48-57
• 4.1 ZnO/ TiO_2复合薄膜的制备50
• 4.2 ZnO/ TiO_2复合薄膜的吸光度分析50-51
• 4.3 ZnO/ TiO_2复合薄膜表面形貌分析51-53
• 4.4 ZnO/ TiO_2复合薄膜膜厚与横断面形貌分析53-54
• 4.5 ZnO/ TiO_2复合薄膜电池性能分析54-56
• 4.6 本章小结56-57
• 结论57-59
• 参考文献59-63
• 致谢63-64
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文64

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