染料敏化太阳能电池光阳极的改性

【摘要】：自从1991年第一块染料敏化太阳能电池诞生以来,染料敏化太阳能电池就吸引了全世界的目光,被研究者们寄予了殷切的希望。而染料敏化太阳能电池也在这良好的研究氛围下迅猛发展。作为染料敏化太阳能电池的主要组成部分,光阳极则是影响其效率的关键,因此得到了研究者的广泛关注。近年来,采用复合的方法改性光阳极逐渐成为光阳极研究中的主流,本文跟随这一发展趋势,通过研究不同材料复合对光阳极性能的影响,总结其中规律,探索筛选新型复合材料。 本实验的主要工作如下： (1)采用水热法和溶胶凝胶法制备了TiO2光阳极浆料,比较两种方法制备的TiO2染料敏化太阳能电池的光电效率,结果表明水热法制备的Ti02染料敏化太阳能电池的光电转化率约是溶胶凝胶法制备的两倍。采用种子层生长法制备了ZnO纳米棒光阳极,并在ZnO光阳极上刮涂一层Ti02纳米颗粒制备了TiO2和ZnO复合光阳极,复合后的染料敏化太阳能电池的光电转化率比ZnO纳米棒染料敏化太阳能电池提高了66%。 (2)采用Hummer改进法制备了氧化石墨烯GO,并将其在浓氨水氛围下水热得到氮掺杂氧化石墨烯N-rGO。比较不同GO和N-rGO添加量的染料敏化太阳能电池,结果表明GO和N-rGO复合后的染料敏化电池的开路电压随添加量的增加而增加,短路电流随添加量的增加先增大后减小,总的来说电池的光电转化率随添加量的增加先增大后减小。当添加量为0.05mg时,为最优添加量,此时的GO-TiO2染料敏化太阳能电池的光电转化率为6.77%,比纯Ti02时的光电转化6.40%提升了5.78%;N-rGO-TiO2染料敏化太阳能电池的光电转化率为7.19%,比纯Ti02时的光电转化率6.35%提升13.23%。实验结果表明适量的石墨烯类物质的复合有助于染料敏化太阳能电池光电转化率的提高,同时N-rGO的复合更有助于染料敏化太阳能电池光电转化率的提升。 (3)将COP-4在650℃和850℃的氩气氛围下进行碳化得到650-COP-4和850-COP-4,比较不同650-COP-4和850-COP-4含量的染料敏化太阳能电池,其开路电压随添加量的增加而增加,短路电流随添加量的增加而减小,电池的光电转化率随添加量的增加而减少,且均小于纯Ti02基染料敏化太阳能电池的光电转化率。将相同添加量的650-COP-4和850-COP-4复合的染料敏化太阳能电池进行比较,发现石墨烯化更充分的850-COP-4更有助于染料敏化太阳能电池光电转化率的提升。通过实验结果的渐变趋势,我们推测复合更高碳化温度制备的COP-4,能够使复合电池的光电转化率超过纯Ti02电池的光电转化率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 光阳极 氮掺杂石墨烯 碳化COP-4
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 染料敏化太阳能电池概述14-15
• 1.2 染料敏化太阳能电池的组成及发展现状15-21
• 1.2.1 染料敏化剂15-17
• 1.2.2 光阳极17-18
• 1.2.3 电解质18-20
• 1.2.4 对电极20-21
• 1.3 染料敏化太阳能电池的工作原理21-22
• 1.4 染料敏化太阳能电池的表征和评估方法22-24
• 1.4.1 入射单色光子-电子转化率(IPCE)表征22
• 1.4.2 电流-电压(Ⅰ-Ⅴ)曲线表征22-23
• 1.4.3 电化学阻抗谱图EIS表征23-24
• 1.5 研究意义和内容24-28
• 第二章 TiO_2基、ZnO基及znO-TiO_2复合基染料敏化太阳能电池28-44
• 2.1 引言28
• 2.2 实验试剂与仪器28-29
• 2.3 合成与制备29-31
• 2.3.1 TiO_2光阳极的制备29-30
• 2.3.2 ZnO纳米棒光阳极的制备30
• 2.3.3 ZnO-TiO_2复合光阳极的制备30
• 2.3.4 染料敏化太阳能电池的组装30-31
• 2.4 表征和测试31-34
• 2.4.1 X射线衍射分析XRD分析31-32
• 2.4.2 扫描电镜SEM表征32
• 2.4.3 电化学测试32-34
• 2.5 结果与讨论34-41
• 2.5.1 扫描电镜SEM表征34-35
• 2.5.2 X射线衍射表征35-37
• 2.5.3 电流密度-电压表征37-41
• 2.6 本章小结41-44
• 第三章 复合GO和N-rGO对TiO_2基染料敏化电池的影响44-62
• 3.1 引言44
• 3.2 试剂与仪器44-45
• 3.3 合成与制备45-46
• 3.3.1 氧化石墨烯GO的制备45
• 3.3.2 氮掺杂氧化石墨烯N-rGO的制备45-46
• 3.3.3 制备不同GO和NGO含量的TiO_2光阳极46
• 3.4 表征46-48
• 3.4.1 X-射线光电子能谱(XPS)46-47
• 3.4.2 拉曼光谱表征47
• 3.4.3 EIS交流阻抗表征47-48
• 3.4.4 其他表征48
• 3.5 结果与讨论48-59
• 3.5.1 X光线衍射谱图(XRD)晶型表征48-49
• 3.5.2 拉曼光谱表征49
• 3.5.3 X光线能谱分析(XPS)表征49-50
• 3.5.4 扫描电镜SEM及透射电镜TEM形貌表征50-51
• 3.5.5 EIS测试51-52
• 3.5.6 紫外可见吸收光谱表征52-53
• 3.5.7 电流密度-电压表征53-59
• 3.6 本章小结59-62
• 第四章 复合不同温度碳化后的COP-4对TiO_2基染料敏化电池的影响62-72
• 4.1 引言62
• 4.2 实验试剂与仪器62-63
• 4.3 制备和表征63-64
• 4.3.1 COP-4的制备63
• 4.3.2 COP-4的碳化63
• 4.3.3 制备不同650-COP-4和850-COP-4含量的TiO_2光阳极63-64
• 4.4 测试和表征64
• 4.5 结果与讨论64-69
• 4.5.1 拉曼光谱分析64-65
• 4.5.2 元素分析65-66
• 4.5.3 电流密度电压测试66-69
• 4.6 本章小结69-72
• 第五章 结论72-74
• 参考文献74-82
• 致谢82-84
• 研究成果及发表的学术论文84-86
• 作者及导师简介86-87
• 附件87-88

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