染料敏化太阳能电池中PEG基体聚合物电解质和低铂负载量对电极研究

论文摘要

染料敏化太阳能电池（DSSC）,具有低成本、易制备和高的光电转换效率等优点,成为当前光电转换材料和纳米技术研究领域中的热点之一。染料敏化太阳能电池的研究不仅对探索制备廉价太阳能电池的途径有实际意义,其研究对半导体光电子学、纳米多孔材料、有机电解质、材料界面理论及光电化学等方面均具有重要的科学意义。本论文较为详细地综述了染料敏化太阳能电池的国内外研究进展,针对DSSC中电解质和对电极研究开发中存在的问题,开展了PEG基体聚合物电解质和低铂对电极的研究。通过对制备不同聚合物电解质基体的研究,探讨聚合物电解质离子导电的一般规律,考察聚合物电解质中不同的组成成分对电解质离子电导率以及聚合物准固态DSSC光电性能的影响,以期提高聚合物染料敏化太阳能电池的使用寿命和光电性能;制备了低铂含量的铂对电极和铂/碳黑复合对电极,研究其对DSSC光电性能的影响,以期获得高活性、制备成本更为低廉的对电极。主要研究内容如下:1.采用共混的方法制备了PEG/PVP聚合物电解质,对其组成进行了优化;通过对无机碘盐筛选,在该电解质体系中采用KI具有较高的离子导电性能;考察了KI浓度与聚合物电解质电导率的变化关系,用离子对模型对这一变化规律进行了解释;对聚合物电解质电导率?温度特性关系分析,电解质的电导率随着温度的升高而增加,其σ-T曲线符合Arrhenius方程;表征了碘及碘化钾在共混聚合物基体中的溶解特性,并用聚合物电解质组装了DSSC,测定了光电性能,讨论了PVP对其光电性能影响,在优化的条件下,获得了4.01%的光电转换效率;考察了共混聚合物电解质DSSC长期稳定性,表现出了优于液体电解质的长期稳定性,在两个月的测试时间内,总光电转换效率的变化在±5%以内。2.通过缩合反应制备了PEG-TEOS交联凝胶聚合物电解质。用FTIR和DSC对交联聚合物进行了表征,分析了以PEG与TEOS的交联反应,将液态的PEG-1000凝胶化。优化了I?/I3?氧化还原电对在PEG-TEOS交联凝胶聚合物基体中的浓度,获得了该电解质体系中离子电导率最大值为3.12毫西门子/厘米;采用拉曼光谱表征,证实了在聚合物电解质中I3?和I2n+3?（n = 1, 2, 3,…）的形成以及单质碘的溶解;在最优化电解质的条件下（交联聚合物电解质中含有KI 0.60摩尔/升和I2 0.06摩尔/升）,该染料敏化太阳能电池在100毫瓦/平方厘米的光强下获得了4.97%的光电转换效率,也表现出了良好的稳定性。3.采用铂纳米粒子电沉积法制备了用于染料敏化太阳能电池的低铂含量的对电极,表征了铂纳米粒子的还原生成及其形貌;考察了该制备方法电沉积时间与其组装的DSSC的光电转换效率的关系,发现当FTO导电玻璃在铂纳米水溶胶中电沉积时间达到20分钟时,可以获得较好的光电效果并且对电极铂的含量相对较少。并与电化学电镀法、热分解法制备的铂对电极进行了比较,以铂纳米粒子电沉积法制备对电极的DSSC获得的光电性能与电化学电镀法制备的对电极相当,并高于热分解法制备的对电极。4.用NaBH4还原法将铂负载于碳黑之中,制备了用于DSSC的铂/碳黑复合对电极,表征了铂纳米粒子在碳黑上的负载及其形貌;并用循环伏安法比较了电化学电镀法制备的铂电极、碳黑电极及铂/碳黑复合电极在I?/I3?体系中的的催化活性;考察了铂/碳黑复合对电极中铂的负载量对DSSC光电性能的影响;通过光电性能的比较,发现采用铂/碳黑复合对电极的DSSC具有不低于采用铂金对电极的DSSC相当的光电性能,它们的光电转换效率分别为6.72%和6.63%。通过上述研究,以期对DSSC中电解质和对电极的进一步研究提供参考,并为DSSC的实际应用提供一些技术和工艺参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能电池的发展简史
• 1.3 染料敏化太阳能电池结构
• 1.3.1 多孔半导体氧化物薄膜
• 1.3.2 敏化染料
• 1.3.3 电解质
• 1.3.4 对电极
• 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中电子的迁移
• /I₃^-氧化还原电对对DSSC 性能的影响'>1.6 I^/I₃^-氧化还原电对对DSSC 性能的影响
• 1.6.1 对DSSC 开路电压的影响
• 1.6.2 对DSSC 短路电流密度的影响
• 1.7 染料敏化太阳能电池的研究进展
• 1.7.1 半导体氧化物膜的研究进展
• 1.7.1.1 二氧化钛薄膜电极的研究
• 1.7.1.2 其它宽禁带半导体氧化物电极的研究
• 1.7.1.3 复合膜电极的研究
• 1.7.2 光敏化染料研究现状
• 1.7.2.1 钌吡啶有机金属配合物
• 1.7.2.2 纯有机染料
• 1.7.2.3 其它金属配合物染料
• 1.7.2.4 天然染料
• 1.7.2.5 半导体量子点染料
• 1.7.3 电解质研究现状
• 1.7.3.1 液态电解质体系
• 1.7.3.2 固体电解质
• 1.7.3.3 准固态电解质
• 1.7.4 对电极研究现状
• 1.7.4.1 铂修饰对电极
• 1.7.4.2 碳材料对电极
• 1.7.4.3 聚合物对电极
• 1.7.4.4 金属基对电极
• 1.8 染料敏化太阳能电池性能的外部影响因素
• 1.8.1 太阳光强度对DSSC 光电性能的影响
• 1.8.2 温度对DSSC 光电性能的影响
• 1.9 染料敏化太阳能电池存在的问题
• 1.10 本论文研究目的和研究内容
• 第2章 论文研究的实验与方法
• 2.1 实验主要试剂和仪器
• 2.2 染料敏化太阳能电池的制备及组装
• 2.2.1 FTO 导电玻璃的准备
• 2.2.2 二氧化钛多孔薄膜电极的制备
• 2.2.3 对电极的制备
• 2.2.4 电解质
• 2.2.5 染料敏化太阳能电池的组装
• 2.3 染料敏化太阳能电池性能的测试
• 2.3.1 单色光光电转换效率（IPCE）
• 2.3.2 电池的总光电转换效率
• 第3章 PEG/PVP 共混聚合物电解质的制备与研究
• 3.1 PEG/PVP 共混聚合物的制备
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 共混聚合物的红外表征
• 3.2.2 共混聚合物电解质组成的优化
• 3.2.3 共混聚合物的XPS 表征
• 3.2.4 共混聚合物电解质对染料敏化太阳能电池性能的影响
• 3.2.5 PEG/PVP 共混聚合物电解质DSSC 的稳定性
• 3.3 本章小结
• 第4章 PEG-TEOS 交联聚合物电解质的制备与研究
• 4.1 PEG-TEOS 交联聚合物电解质的制备
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 红外光谱分析
• 4.2.2 差示扫描量热法（DSC）分析
• 2 在 PEG-TEOS 交联聚合物中的溶解'>4.2.3 KI 和 I₂ 在 PEG-TEOS 交联聚合物中的溶解
• 4.2.4 PEG-TEOS 交联聚合物电解质的离子电导率
• 4.2.5 PEG-TEOS 交联聚合物电解质DSSC 的光电性能
• 4.2.6 PEG-TEOS 交联聚合物电解质DSSC 的稳定性
• 4.3 本章小结
• 第5章 铂纳米粒子电沉积法制备低铂负载量对电极的研究
• 5.1 铂金对电极的制备
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 纳米粒子电沉积法制备铂对电极的形貌表征
• 5.2.2 铂对电极的循环伏安分析
• 5.2.3 电沉积时间对DSSC 光电性能的影响
• 5.2.4 采用不同方法制备的铂金对电极来组装DSSC 的性能比较
• 5.3 本章小结
• 第6章 低铂负载量铂/碳黑复合对电极的制备与研究
• 6.1 铂/碳黑复合对电极的制备
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 铂/碳黑的形貌表征
• 6.2.2 铂/碳黑对电极的循环伏安表征
• 6.2.3 不同碳材料对电极DSSC 的光电性能
• 6.2.4 铂/碳黑复合对电极DSSC 的光电性能
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结
• 参考文献
• 附录：博士在读期间发表的文章
• 致谢