染料敏化太阳能电池纳米TiO_2薄膜的制备与性能研究

【摘要】： 染料敏化太阳能电池(DSSC电池)是一种新型光电化学太阳能电池,由于它制作工艺简单、成本低和性能稳定,并且对环境无污染,具有良好的开发前景。它是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。纳米TiO2薄膜是染料敏化太阳电池的重要组成部分,其形貌对电池性能影响显著。本文通过XRD、SEM和TEM表征、DSSC电池的组装、光电性能测试等,研究DSSC电池中TiO2薄膜的制备,其对电池效率的影响及可能的解决办法。本论文的具体研究内容和主要结论在于: 1.本文系统研究了不同制备方法对TiO2薄膜显微结构的影响。分别采用旋涂法、电泳沉积法、粉末涂覆法、丝网印刷法制备了TiO2薄膜,通过四种方法制备的TiO2薄膜显微结构比较可得:不同方法制备的TiO2薄膜形貌差异很大。通过制备方法对TiO2薄膜显微结构影响的分析,为染料敏化太阳电池中TiO2光阳极材料制备方法的选择提供了依据。 2.采用丝网印刷制备染料敏化太阳电池用TiO2薄膜电极时,TiO2的浆料组成对电极结构、电池J-V特性有重要影响。本文采用无水体系的TiO2胶体丝网印制TiO2薄膜,并组装电池,测试性能。研究发现曲拉通(Triton X-100)、聚乙二醇(PEG-2000)可以明显改变TiO2电极显微结构,且对电池的性能影响显著。过少或过多的曲拉通或聚乙二醇都将导致开路电压、短路电流、填充因子以及效率的降低。由3g P25粉末配制的胶体中,当聚乙二醇含量在0.8g附近、曲拉通含量在0.2~0.8ml之间时,染料敏化太阳电池光电转化效率较好。组装成电池后,当电池有效面积为0.28 cm2,在标准氙灯模拟器下(AM 1.5,100mW/cm2)测试电池J-V特性,电池光电转换效率可达3.2%。 3.采用Sol-Gel法,以钛酸四丁酯为原料自制纳米级TiO2粉,研究pH值对凝胶时间和粒径的影响,从而优化其制备工艺条件。并将自制的TiO2粉与Triton X-100、乙酰丙酮混合后,通过丝网印刷的方法制备DSSC的多孔光阳极。组装成电池后,当其有效面积为0.28 cm2,在标准氙灯模拟器下(AM 1.5,100mW/cm2)测试电池的J-V特性,得到了3.22﹪的光电转换效率。 4.以商用金红石相TiO2粉末为原料,通过在碱性溶液中150℃水热48h的方法合成TiO2纳米管。根据不同温度下纳米粉末形貌的演变过程,提出纳米管是由纳米圆盘卷曲而形成的观点。并将TiO2纳米管与Triton X-100、乙酰丙酮混合后,通过丝网印刷的方法制备DSSC的多孔光阳极。组装成电池的有效面积为0.28 cm2,并在标准氙灯模拟器下(AM 1.5,100mW/cm2)测试电池J-V特性,得到2.17﹪的光电转换效率,为TiO2薄膜电极的研究提供了一个新的发展方向。 【关键词】：染料敏化 TiO_2薄膜 太阳电池 溶胶凝胶 TiO_2纳米管
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM914.4;TN304
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-22
• 1-1 研究背景9
• 1-2 太阳能电池介绍9-12
• 1-2-1 硅太阳电池9-11
• 1-2-2 化合物半导体电池11
• 1-2-3 有机太阳电池11-12
• 1-3 染料敏化太阳电池12-17
• 1-3-1 染料敏化太阳电池的结构和基本原理12-14
• 1-3-2 染料敏化太阳电池的性能指标14-15
• 1-3-3 影响DSSC 性能的因素15-16
• 1-3-4 染料敏化太阳能电池的研究进展16-17
• 1-4 纳米晶TiO_2薄膜电极17-21
• 1-4-1 纳米晶TiO_2 薄膜研究的意义17-18
• 1-4-2 纳米晶TiO_2 薄膜对DSSC 的影响18-19
• 1-4-3 纳米晶TiO_2 薄膜的制备方法19-21
• 1-5 研究内容和意义21-22
• 第二章 实验与测试方法22-24
• 2-1 实验原料与设备22-23
• 2-1-1 实验原料22
• 2-1-2 所用仪器22-23
• 2-2 测试与表征23-24
• 2-2-1 测试仪器23
• 2-2-2 测试方法23-24
• 第三章 制备方法对纳米 TiO_2 薄膜显微结构的影响24-29
• 3-1 实验方法24-25
• 3-1-1 旋涂法制备TiO_2 薄膜24
• 3-1-2 电泳沉积法制备TiO_2 薄膜24
• 3-1-3 粉末涂敷法制备TiO_2 薄膜24
• 3-1-4 丝网印刷法制备TiO_2 薄膜24-25
• 3-2 实验结果与讨论25-28
• 3-2-1 F1 测试结果与分析25
• 3-2-2 F2 测试结果与分析25-26
• 3-2-3 F3 测试结果与分析26-27
• 3-2-4 F4 测试结果与分析27-28
• 3.3 本章小结28-29
• 第四章 TiO_2 浆料组分对电池性能的影响29-36
• 4-1 TiO_2纳米多孔膜的制备过程29-30
• 4-1-1 系列1（曲拉通含量不同）29
• 4-1-2 系列 2(聚乙二醇含量不同)29-30
• 4-2 电池的组装30-31
• 4-2-1 组装流程30
• 4-2-2 染料的性能表征30-31
• 4-2-3 镀铂对电极31
• 4-3 Triton X-100 的量对电池性能的影响31-33
• 4-3-1 TiO_2 薄膜显微结构分析31-32
• 4-3-2 电池性能测试结果分析32-33
• 4-4 PEG-2000 的量对电池性能的影响33-35
• 4-5 本章小结35-36
• 第五章 Sol-Gel 法自制 TiO_2 纳米粉及应用36-40
• 5-1 Sol-gel 的形成机理36
• 5-2 pH 值对凝胶时间的影响36-37
• 5-3 pH 值对粒径的影响37-38
• 5-4 自制TiO_2纳米粉的应用38-39
• 5-4-1 TiO_2 薄膜的制备38-39
• 5-4-2 组装电池及性能测试39
• 5.5 本章小结39-40
• 第六章 水热法合成 TiO_2 纳米管及应用40-44
• 6-1 实验部分40-41
• 6-1-1 TiO_2 纳米管的制备40
• 6-1-2 纳米管TiO_2 薄膜的制备40
• 6-1-3 组装电池40-41
• 6-2 实验结果与分析41-43
• 6-2-1 TEM 分析41
• 6-2-2 XRD 分析41-42
• 6-2-3 电池性能测试42-43
• 6.3 本章小结43-44
• 第七章 结论44-45
• 参考文献45-51
• 致谢51-52
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果52

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