基于固态电解质的染料敏化太阳能电池构建和光伏性能研究

【摘要】：本文主要制备了三种不同成分的聚合物固态电解质,并在二氧化钛染料敏化太阳能电池体系中的对其性能进行了优化,最终成功将其运用在氧化锌染料敏化太阳能电池中。 采用二氧化钛纳米颗粒作为填充材料,聚氧化乙烯(PEO)作为聚合物材料,碘化锂、碘作为溶质,乙腈为溶剂制备电解质,并对不同添加量的二氧化钛颗粒对电解质体系产生的影响进行了探讨,得到了电导率3.1×10-5 S cm-1的聚合物固态电解质,并将其运用在二氧化钛染料敏化太阳能电池中进行光电性能测试,得到了2.49%的光电转换效率。 本文对由低聚物聚乙二醇(Oligo-PEG), PEO,碘化锂,碘,乙腈构成的电解质,讨论了不同添加量的低聚物对该电解质体系离子电导率及太阳能电池光电性能产生的影响,并采用XRD手段对原因进行了分析。得到了电导率7.1×10-5 S cm-1的聚合物固态电解质,使用该电解质的TiO2DSSCS获得了3.94%的光电转换效率。 在PEO/Oligo-PEG电解质体系的基础上,引入了二氧化钛纳米颗粒作为填充材料,构成的复合电解质的离子电导率高达1.45×10-4 S cm-1,由此组装的固态二氧化钛染料敏化太阳能电池获得了5.08%的光电转换效率。 在上述讨论的基础上,我们制备了一种创新的固态多级结构氧化锌染料敏化太阳能电池,它使用了氧化锌纳晶聚集体作为光阳极薄膜,并使用了固态电解质。经过前期优化,使用了电解质PEO/oligo-PEG/TiO2/LiI//I2的氧化锌DSSC的光电性能明显有了改善,其能量转化效率在100 mWcm-2下达到了1.8%,这明显高于了采用电解质PEO/TiO2/LiI/I2(η=1.1%)或电解质PEO/oligo-PEG/LiI/I2(η=1.5%)的氧化锌电池。此外,在60 mWcm-2光照下该电池展现了一个更高的转化效率(2.0%)。同时本文还通过扫描电镜、光电流-光电压数据、单色光转化效率和交流阻抗等手段,探讨了这三种复合电解质的形貌、离子电导率,及使用了这三种电解质的染料敏化太阳能电池的性能。 【关键词】：固态 染料敏化太阳能电池 多级结构氧化锌 复合电解质 光电性能
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 文献综述16-28
• 1.1 引言16
• 1.2 太阳能电池的分类和研究现状16-18
• 1.2.1 硅基太阳能电池16-17
• 1.2.2 化合物薄膜太阳能电池17
• 1.2.3 有机太阳能电池17
• 1.2.4 染料敏化太阳电池17-18
• 1.3 染料敏化太阳能电池的基本结构18-19
• 1.4 染料敏化太阳能电池的工作原理19-21
• 1.5 染料敏化太阳能电池光阳极的研究进展21
• 1.6 敏化染料21-23
• 1.7 对电极的研究现状23
• 1.8 染料敏化太阳能电池电解质的研究进展23-27
• 1.8.1 液态电解质23-24
• 1.8.2 固态电解质24-26
• 1.8.3 准固态电解质26-27
• 1.9 本课题的研究内容及创新之处27-28
• 第二章 实验部分28-38
• 2.1 实验试剂与仪器设备28-29
• 2.1.1 实验试剂28
• 2.1.2 实验仪器与设备28-29
• 2.2 FTO导电玻璃的处理29-30
• 2.3 二氧化钛光阳极薄膜的制备30
• 2.4 对电极的制备方法30-31
• 2.5 电解质的制备31-32
• 2.5.1 PEO-TiO_2(E1)聚合物电解质复合材料的制备31
• 2.5.2 PEO-PEG(E2)聚合物电解质复合材料的制备31
• 2.5.3 PEO-TiO_2-PEG(E3)复合聚合物电解质的制备31-32
• 2.6 二氧化钛染料敏化太阳能电池的组装32-33
• 2.7 固态电解质的性能测试33-34
• 2.7.1 固态电解质的渗透性能33
• 2.7.2 固态电解质的离子导电率33-34
• 2.8 固态染料敏化太阳能电池的光电性能测试34-35
• 2.8.1 染料敏化太阳能电池的光电性能测试34-35
• 2.8.2 电化学阻抗谱图测试35
• 2.9 本章小结35-38
• 第三章 电解质的性能测试及优化38-52
• 3.1 二氧化钛膜电极的形貌表征38-39
• 3.2 含二氧化钛聚合物电解质的性能及其对电池性能的影响39-41
• 3.2.1 纳晶氧化钛添加剂对聚合物电解质电导率的影响39-40
• 3.2.2 纳晶二氧化钛添加剂对固态太阳能电池性能的影响40-41
• 3.3 含PEG聚合物电解质的性能及其对电池性能的影响41-44
• 3.3.1 PEG添加量对聚合物电解质电导率的影响41-42
• 3.3.2 含PEG聚合物电解质的XRD分析42-43
• 3.3.3 PEG添加量对固态太阳能电池性能的影响43-44
• 3.4 复合电解质的性能及其对电池性能的影响44-46
• 3.4.1 纳晶TiO_2添加剂对PEO/PEG电解质体系的导电率的影响44-45
• 3.4.2 复合电解质对固态太阳能电池性能的影响45-46
• 3.5 碘化锂浓度对电池光电性能的影响46-47
• 3.6 不同碘盐对固态电池光电性能的影响47-48
• 3.7 不同电解质组装的染料敏化太阳能电池光电性能的比较48-49
• 3.8 本章总结49-52
• 第四章 氧化锌光阳极薄膜的制备及性能研究52-58
• 4.1 实验仪器与仪器设备52-53
• 4.1.1 实验试剂52
• 4.1.2 实验仪器与设备52-53
• 4.2 氧化锌聚集体的制备方法53-54
• 4.3 氧化锌聚集体的形貌表征与比表面积表征54-56
• 4.3.1 X射线衍射54
• 4.3.2 扫描电子显微镜54
• 4.3.3 比表面积(BET)测定54
• 4.3.4 氧化锌聚集体的表征54-56
• 4.4 氧化锌聚集体薄膜电极的制备56
• 4.5 氧化锌薄膜电极的形貌表征56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第五章 固态染料敏化锌太阳能电池的性能的对比表征58-70
• 5.1 实验试剂与仪器设备58-59
• 5.1.1 实验试剂58
• 5.1.2 实验仪器与设备58-59
• 5.2 平行实验方法介绍59-67
• 5.2.1 PEG添加量对聚合物电解质渗透性能的影响59-61
• 5.2.2 I-V测试方法61-63
• 5.2.3 EIS测试方法63-65
• 5.2.4 装置D3的循环性能研究65-66
• 5.2.5 IPCE测试方法66-67
• 5.3 本章小结67-70
• 第六章 总结70-72
• 参考文献72-78
• 致谢78-80
• 研究成果及发表的学术论文80-82
• 作者和导师简介82-83
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书83-84

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