染料敏化太阳能电池光阳极材料的研究

【摘要】： 随着全球经济的发展,人们对能源的需求越来越大,新一代能源的开发势在必行,而染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)是开发利用太阳能的最有效途径。在本研究中,首先根据文献报道,组装了DSSC器件,考察了DSSC光阳极材料、电解液组成、对电极的种类等因素对DSSC光电性能的影响,确定了DSSC各个组成部分的制做条件,优化了DSSC的制作工艺。实验结果表明,光阳极使用质量分数为17 %的TiO_2溶胶制作的一层纳米晶薄膜、电解液为0.05 mol/L I2、对电极组为500℃下焙烧、铂负载量为0.17 mg/cm~2的FTO,几个部分组合而成的DSSC,其光电转换效率(η)为5.04 %,达到了目前文献报道的结果。 在此基础上,采用溶胶-水热法,合成了高晶化度、大比表面、小粒径的TiO_2纳米晶,利用该材料制做了具有“微纳米”复合结构的TiO_2光阳极,并将它们组装成DSSC器件,利用Uv-vis、Raman、XRD等分析技术对薄膜电极结构进行了表征,采用电化学测试手段测试了DSSC器件的光电性能,探讨了TiO_2粒子制备方法对结构及能级的影响,并研究这种“微纳米”复合结构与DSSC光电性能的关系。实验结果表明,使用溶胶A和溶胶B制备的AB-TiO_2薄膜电极的光电转换效率为5.45 %,要高于单独使用一种溶胶制备的光阳极,“微纳米”复合结构的TiO_2层为染料在较厚薄膜电极上的吸附提供了更大的表面积,因此增加了电池的光捕获效率。同时“微纳米”复合结构为电解质中氧化还原电对的扩散提供了更畅通的孔道,促进了TiO_2薄膜与电解质溶液界面间电荷转移过程的发生,为I~-/I~-_3氧化还原电对的自由出入提供了有利的条件,加快了电解质在溶液中的扩散速度,改善了电子的传输。使用溶胶C制得的TiO_2复合薄膜电极经过酸修饰改性后,由于表面带正电,与染料分子之间相互作用力更强,提高了激发态染料中电子向TiO_2导带能级的注入效率,其光电转换效率达到6.11 %,改善了电池的光电性能。 【关键词】：二氧化钛 染料敏化太阳能电池 微纳米结构 光电转换效率
【学位授予单位】：黑龙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要2-3
• Abstract3-8
• 第1章 绪论8-30
• 1.1 引言8-9
• 1.2 太阳能电池的分类9-10
• 1.3 染料敏化太阳能电池结构及研究进展10-23
• 1.3.1 透明导电玻璃11-12
• 1.3.2 纳米晶多孔半导体12-18
• 1.3.3 染料敏化剂18-20
• 1.3.4 电解液20-22
• 1.3.5 对电极22-23
• 1.4 染料敏化太阳能电池的机理研究23-28
• 1.4.1 半导体的能带结构23-24
• 1.4.2 半导体的能级24-25
• 1.4.3 电池的工作原理25-27
• 1.4.4 光电转换效率27
• 1.4.5 电池的工作参数27-28
• 1.5 课题的提出和研究内容28-29
• 1.6 课题来源29-30
• 第2章 实验材料、条件及实验方法30-40
• 2.1 实验试剂和仪器30-32
• 2.1.1 实验试剂30-31
• 2.1.2 实验仪器及设备31-32
• 2.2 染料敏化太阳能电池光电性能测试32-33
• 2.2.1 I-V 曲线测试32
• 2.2.2 光电流工作谱测试32-33
• 2.3 材料表征33-34
• 2.3.1 晶相结构的测定33
• 2.3.2 光学性能测试33
• 2.3.3 材料形貌及膜厚的测试33
• 2.3.4 交流阻抗测试33-34
• 2.4 实验方法34-36
• 2.4.1 薄膜基片的清洗34
• 2.4.2 TiO_2 溶胶的制备34-35
• 2.4.3 染料敏化TiO_2 薄膜电池的组装35-36
• 2.5 I-V 曲线方法的测试原理36-37
• 2.5.1 I-V 曲线测试系统地搭建36
• 2.5.2 I-V 曲线测试的基本原理36-37
• 2.6 交流阻抗测试原理37-40
• 2.6.1 交流阻抗法简介37-38
• 2.6.2 交流阻抗基本原理38-39
• 2.6.3 Mott-Schottky 曲线测试结果分析39-40
• 第3章 染料敏化TiO_2薄膜电池的组装与优化40-53
• 3.1 引言40-41
• 3.2 实验方法41-43
• 3.2.1 染料敏化太阳能电池阳极的制备41-42
• 3.2.2 染料敏化太阳能电池对电极的制备42-43
• 3.3 实验结果与讨论43-52
• 3.3.1 染料N719 紫外-可见光谱分析43
• 3.3.2 TiO_2 薄膜电极的形貌结构表征43-45
• 3.3.3 纳米TiO_2 薄膜电池光电性能测试45-47
• 3.3.4 不同对电极的染料敏化太阳能电池光电性能测试47-49
• 3.3.5 12 浓度对染料敏化太阳能电池光电性能的影响49-50
• 3.3.6 优化组合后染料敏化太阳能电池的光电性能50-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 微纳米TiO_2复合粒子薄膜电极的光电性能研究53-74
• 4.1 引言53-54
• 4.2 实验方法54-56
• 4.2.1 不同TiO_2 溶胶的制备54-55
• 4.2.2 不同TiO_2 薄膜电极的制备55-56
• 4.2.3 电池的封装56
• 4.2.4 TiO_2 薄膜电极上染料N719 吸附量的测定56
• 4.3 微纳米TiO_2 复合粒子薄膜电极的光电性能研究56-67
• 4.3.1 TiO_2 薄膜电极的结构表征56-60
• 4.3.2 微纳米TiO_2 复合粒子薄膜电极的光电性能研究60
• 4.3.3 微纳米TiO_2 复合粒子薄膜电极的照片60-62
• 4.3.4 微纳米TiO_2 复合粒子薄膜电极染料吸附量的分析62
• 4.3.5 微纳米TiO_2 复合粒子薄膜电极的光电流工作谱62-63
• 4.3.6 TiO_2 薄膜电极的Mott-Schottky 曲线分析63-65
• 4.3.7 微纳米TiO_2 复合粒子薄膜电极交流阻抗分析65-67
• 4.4 硝酸改性微纳米TiO_2 薄膜电极的光电性能研究67-72
• 4.4.1 TiO_2 薄膜电极的结构表征67-68
• 4.4.2 TiO_2 薄膜电极的光电性能研究68-69
• 4.4.3 TiO_2 薄膜电极染料吸附量的分析69-70
• 4.4.4 TiO_2 薄膜电极的光电流工作谱70-71
• 4.4.5 TiO_2 薄膜电极交流阻抗分析71-72
• 4.5 本章小节72-74
• 结论74-75
• 参考文献75-83
• 致谢83-84

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