用于太阳能制氢的染料敏化光电系统的研究

论文摘要

利用染料敏化光电池（简称DSC,Dye-sensitized photocell）分解水制取氢气,将太阳能转化成电能和化学能,能有效地解决能源和环境污染问题,可以形成一种良性循环的能源体系,有可持续发展的前景。本文研究了可将太阳能转换成电能的染料敏化光电池的制备和优化。实验中以纳米TiO2薄膜作为DSC的光阳极,通过优化使DSC获得了较高的光电压和光电流密度,并且利用染料敏化光电池得到的电能,作为分解水电极的电能来源。本文用溶胶-凝胶法和溶胶凝胶+粉末法两种方法制备染料敏化光电池的光阳极,通过比较两种方法制备的DSC的光电性能,最终选择了溶胶凝胶+粉末法制作的DSC作为分解水的光电单元。以电镀法在FTO导电玻璃上沉积铂制得铂对电极。另外,试验了多种染料作为染料敏化光电池的敏化剂,最终选择了曙红Y作为分解水制氢的光电单元的敏化剂。本文对影响TiO2薄膜电极性能的聚乙二醇的分子量、膜厚、退火温度等因素进行了研究。结果表明,上述三个因素对TiO2薄膜的微观结构均有影响。同时不同阳离子的掺杂以及掺杂量的不同也对TiO2薄膜的光催化活性存在影响。综合了最佳的制备工艺,得到优化的太阳能电池（面积5mm×5mm）的光电压为0.628V,短路光电流密度为1.15mA/cm2,填充因子为0.425,最大功率为0.307mW/cm2,最后的光电转化效率为0.42%。利用染料敏化光电池耦合分解水电极来制取氢气,比传统的光电解池电解水制氢能耗要小得多,而且因为整个太阳能电池系统是处在空气中,也同时解决了光电解池中电解水电极腐蚀严重的问题。实验中研究了三个染料敏化光电池串联作为光电单元的工作情况,整个光电系统的开路电压为1.547V,说明利用多染料敏化光电池串联分解水制取氢气的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 太阳能电池光电转换原理及研究进展
• 1.1.1 太阳能电池光电转换原理
• 1.1.2 太阳能电池研究进展
• 1.2 太阳能电池制氢的研究进展
• 1.3 染料敏化光电池的原理及研究进展
• 1.3.1 染料敏化光电池的原理
• 1.3.2 光阳极的研究进展
• 1.3.3 光阴极的研究进展
• 1.3.4 敏化剂的研究进展
• 1.3.5 电解质的研究进展
• 1.4 染料敏化光电池的性能指标
• 1.4.1 开路电压和短路电流
• 1.4.2 光电转化效率、填充因子
• 1.4.3 单色光转化效率
• 1.5 太阳能电池与分解水电极耦合原理
• 1.6 本文研究的内容
• 第二章 染料敏化光电池的制备与性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 染料敏化光电池的制备
• 2.2.1 实验原料与仪器
• 2.2.2 光阳极的制备
• 2.2.3 电解质溶液的配制
• 2.2.4 敏化剂溶液的制备及敏化
• 2.2.5 光阴极的制备
• 2.2.6 单电池组装
• 2 薄膜电极的表征'>2.3 纳晶TiO₂薄膜电极的表征
• 2 薄膜表面形貌表征'>2.3.1 TiO₂薄膜表面形貌表征
• 2 薄膜晶体结构表征'>2.3.2 TiO₂薄膜晶体结构表征
• 2 薄膜的光谱表征'>2.3.3 TiO₂薄膜的光谱表征
• 2.4 电池的性能测试
• 2.5 本章小结
• 第三章 染料敏化光电池的性能优化设计与研究
• 3.1 引言
• 2 薄膜制备工艺参数的优化'>3.2 TiO₂薄膜制备工艺参数的优化
• 2 薄膜结构的影响'>3.2.1 发孔剂（PEG）对DSC 光电性能和TiO₂薄膜结构的影响
• 3.2.2 膜厚对DSC 光电性能的影响
• 2 薄膜结构的影响'>3.2.3 退火温度对DSC 光电性能和TiO₂薄膜结构的影响
• 3.3 阳离子掺杂对染料敏化光电池光电性能的影响
• 3.3.1 掺杂不同阳离子对DSC 光电性能的影响
• 2 薄膜UV-Vis 表征'>3.3.2 掺杂不同离子的TiO₂ 薄膜UV-Vis 表征
• 3.3.3 掺杂离子浓度对DSC 光电性能的影响
• 3.4 敏化剂对染料敏化光电池光电性能影响的研究
• 3.4.1 DSC 性能测试
• 3.4.2 紫外–可见光谱分析
• 3.4.3 红外光谱分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 用于太阳能制氢的染料敏化光电池系统的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要