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稀土掺杂纳米级介孔TiO_2光阴极型太阳能电池

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 22:11:10
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稀土掺杂纳米级介孔TiO_2光阴极型太阳能电池【摘要】:新能源一直是近年来研究的热点领域,而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁新型能源更是备受人们的青睐。染料敏化太阳能电池(DS

【摘要】:新能源一直是近年来研究的热点领域,而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁新型能源更是备受人们的青睐。染料敏化太阳能电池(DSSC)由于在将光能转化为电能方面有着优异的性能,因此也正在吸引着世界各国学者的关注。截至目前,染料敏化太阳能电池的光电转换效率已逐渐趋于传统的硅型太阳能电池,但相比之下,前者的制造成本更低廉、环境更友好且制造工艺更简单。因此,染料敏化太阳能电池在未来必将有着巨大的应用前景。 TiO_2无毒无害、价格低廉、来源广泛并且一直以来被视为潜力巨大的光催化材料,目前已越来越多被利用在环境保护、水处理、降解有机物等领域。然而作为半导体材料,由于TiO_2较高的禁带宽度而导致相对低的光量子产率仍是限制其发展的一个关键问题。有文献表明,若通过合适的方法拓宽TiO_2半导体的吸收光谱,则有望即使不使用染料敏化,也可制备出较高光电转换效率的光阴极型化学太阳能电池。 本论文拟对半导体TiO_2进行掺杂改性处理,通过三种稀土元素Eu、Ho、Tb的掺杂,一方面可以优化TiO_2的微结构;另一方面,期望通过能级结构丰富的稀土元素离子掺杂可以达到拓宽吸收光谱,从而提升太阳能电池的光电转换效率。在本论文中,我们制备了三种通过掺杂改性的TiO_2工作电极:Eu-TiO_2、Ho-TiO_2及Tb-TiO_2,并探索了染料敏化太阳能电池的组装工艺,等。现将主要内容总结如下: (1)利用溶胶-凝胶法制备了三种稀土元素掺杂的纳米晶TiO_2半导体电极Eu-TiO_2、Ho-TiO_2及Tb-TiO_2(1:10),并通过高分辨透射电镜(HRTEM)、X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、N2吸附-解吸附对材料进行了表征。测试结果表明,我们成功制备了三种掺杂稀土元素的TiO_2电极,成分比例为稀土:TiO_2=1:10。所制备的TiO_2晶体为锐钛矿型,晶粒大小在8-20nm范围内, Eu-TiO_2、Ho-TiO_2及Tb-TiO_2的BET表面积分别达到116,103,105cm~2/g,单点孔容分别为:0.51,0.66,及0.65cm~3/g,平均孔径大小:146,236,221。具有优良的吸附性能及分级的三维贯通介孔/介孔微结构。 (2)对染料敏化太阳能电池的组装工艺进行了多方面的探索,重点解决了对于液态型DSSC易导致的电解液漏液问题。我们通过利用热塑性的parafilm膜材料结合打孔Pt电极预先将电池进行封装,随后在真空腔内利用压强差灌装电解液,实验表明这种方法可以达到良好的密封效果。此外,我们也针对电池组装的各部分工艺制作了一个DSSC制备的标准化流程。 (3)我们利用制备的TiO_2电极材料分别组装成染料敏化太阳能电池及光阴极型太阳能电池(未经染料敏化),并通过电化学测试方法对各电极与电池进行了横向与纵向的比较及评价。这其中包括在相同条件下使用掺杂不同元素电极的纵向比较以及使用相同电极材料进行敏化前后性能对比的横向比较。分别测试了各电池的开路电压(Voc)性能,电化学交流阻抗谱(EIS)以及线性扫描伏安测试(LSV),以期对电池性能做出较客观的评价。 【关键词】:染料敏化太阳能电池 光阴极 稀土掺杂 TiO_2 介孔
【学位授予单位】:暨南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM914.4
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-8
  • 1. 绪论8-26
  • 1.1 研究背景及意义8-9
  • 1.1.1 太阳能电池的研究背景8
  • 1.1.2 染料敏化太阳能电池的研究意义8-9
  • 1.2 DSSC 的结构及工作原理9-11
  • 1.3 TiO_2材料在 DSC 中的应用及其研究进展11-19
  • 1.3.1 TiO_2材料在 DSC 中的应用11-13
  • 1.3.2 DSC 中 TiO_2膜的研究进展13-19
  • 1.4 染料敏化太阳能电池研究进展19-23
  • 1.5 DSSC 的性能参数简介23-26
  • 2. 稀土元素掺杂 TiO_2材料的制备及表征26-39
  • 2.1 实验材料与仪器26-27
  • 2.2 实验步骤及方法27
  • 2.2.1 Eu-TiO_2(1:10)的制备27
  • 2.2.2 Ho-TiO_2(1:10)及 Tb-TiO_2(1:10)的制备27
  • 2.3 结果与讨论27-39
  • 2.3.1 HRTEM 表征与分析27-31
  • 2.3.2 XRD 表征与分析31-32
  • 2.3.3 Raman 表征与分析32-34
  • 2.3.4 X-射线光电子能谱(XPS)分析34-36
  • 2.3.5 N+2吸附-解吸附曲线分析36-39
  • 3.DSSC 的组装工艺及光电性能测试39-55
  • 3.1 实验材料与仪器39-40
  • 3.2 DSC 的组装工艺研究40-45
  • 3.2.1 实验方案设计40-41
  • 3.2.2 电极的处理及材料准备41-43
  • 3.2.3 电池的组装43-45
  • 3.3 DSC 电化学性能测试45-55
  • 3.3.1 开路电压分析45-49
  • 3.3.2 线性扫描(LSV)测试与分析49-51
  • 3.3.3 电化学交流阻抗谱分析(EIS)51-55
  • 4. 结论及进一步工作设想55-58
  • 4.1 结论55-56
  • 4.2 进一步工作设想56-58
  • 参考文献58-63
  • 致谢63


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