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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能电池的分类和研究现状
• 1.2.1 硅基太阳能电池
• 1.2.2 化合物薄膜太阳能电池
• 1.2.3 有机太阳能电池
• 1.2.4 染料敏化太阳电池
• 1.3 染料敏化太阳能电池的基本结构
• 1.4 染料敏化太阳能电池的工作原理
• 1.5 染料敏化太阳能电池光阳极的研究进展
• 1.6 敏化染料
• 1.7 对电极的研究现状
• 1.8 染料敏化太阳能电池电解质的研究进展
• 1.8.1 液态电解质
• 1.8.2 固态电解质
• 1.8.3 准固态电解质
• 1.9 本课题的研究内容及创新之处
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂与仪器设备
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器与设备
• 2.2 FTO导电玻璃的处理
• 2.3 二氧化钛光阳极薄膜的制备
• 2.4 对电极的制备方法
• 2.5 电解质的制备
• 2（E1）聚合物电解质复合材料的制备'>2.5.1 PEO-TiO₂（E1）聚合物电解质复合材料的制备
• 2.5.2 PEO-PEG（E2）聚合物电解质复合材料的制备
• 2-PEG（E3）复合聚合物电解质的制备'>2.5.3 PEO-TiO₂-PEG（E3）复合聚合物电解质的制备
• 2.6 二氧化钛染料敏化太阳能电池的组装
• 2.7 固态电解质的性能测试
• 2.7.1 固态电解质的渗透性能
• 2.7.2 固态电解质的离子导电率
• 2.8 固态染料敏化太阳能电池的光电性能测试
• 2.8.1 染料敏化太阳能电池的光电性能测试
• 2.8.2 电化学阻抗谱图测试
• 2.9 本章小结
• 第三章 电解质的性能测试及优化
• 3.1 二氧化钛膜电极的形貌表征
• 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
• 3.2.1 纳晶氧化钛添加剂对聚合物电解质电导率的影响
• 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
• 3.3 含PEG聚合物电解质的性能及其对电池性能的影响
• 3.3.1 PEG添加量对聚合物电解质电导率的影响
• 3.3.2 含PEG聚合物电解质的XRD分析
• 3.3.3 PEG添加量对固态太阳能电池性能的影响
• 3.4 复合电解质的性能及其对电池性能的影响
• 2添加剂对PEO/PEG电解质体系的导电率的影响'>3.4.1 纳晶TiO₂添加剂对PEO/PEG电解质体系的导电率的影响
• 3.4.2 复合电解质对固态太阳能电池性能的影响
• 3.5 碘化锂浓度对电池光电性能的影响
• 3.6 不同碘盐对固态电池光电性能的影响
• 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
• 3.8 本章总结
• 第四章 氧化锌光阳极薄膜的制备及性能研究
• 4.1 实验仪器与仪器设备
• 4.1.1 实验试剂
• 4.1.2 实验仪器与设备
• 4.2 氧化锌聚集体的制备方法
• 4.3 氧化锌聚集体的形貌表征与比表面积表征
• 4.3.1 X射线衍射
• 4.3.2 扫描电子显微镜
• 4.3.3 比表面积（BET）测定
• 4.3.4 氧化锌聚集体的表征
• 4.4 氧化锌聚集体薄膜电极的制备
• 4.5 氧化锌薄膜电极的形貌表征
• 4.6 本章小结
• 第五章 固态染料敏化锌太阳能电池的性能的对比表征
• 5.1 实验试剂与仪器设备
• 5.1.1 实验试剂
• 5.1.2 实验仪器与设备
• 5.2 平行实验方法介绍
• 5.2.1 PEG添加量对聚合物电解质渗透性能的影响
• 5.2.2 I-V测试方法
• 5.2.3 EIS测试方法
• 5.2.4 装置D3的循环性能研究
• 5.2.5 IPCE测试方法
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书