染料敏化太阳能电池的性能研究

论文摘要

染料敏化太阳能电池（DSSC）作为一种新型太阳能电池,因其制作成本低,工艺简单,光电转化效率高,性能稳定并且对环境良性等优点,具有很好应用前景。这种基于纳米半导体材料（TiO2等）和工艺的新型电池因具有进一步提高效率和降低成本的潜在优势而一直得到高度重视,成为太阳电池研究领域的一个新的热点。本论文通过对纳米TiO2多孔膜的制备和改性方法、电解质及对电极的研究,并组装电池,分析了DSSC各组成部分对电池光电性能的影响,获得具有较高光电转化效率的DSSC。本文通过TEM、SEM、电池光电性能等测试,讨论了溶胶凝胶法制备TiO2多孔膜过程中物料配比、PEG、干燥和烧结过程对膜表面形态和光电性能的影响。在低温条件下制备了锐钛矿TiO2晶体,并通过电泳沉积法,制得TiO2多孔膜,讨论电泳沉积时间、电流密度等条件对膜表面形态和光电性能的影响。提出了制备TiO2多孔膜的新方法:直接电泳沉积法,获得3.80%的光电转化效率,改变电泳沉积液中Ti的含量和存在形式,制得TiO2多孔膜,获得4.84%的光电转化效率,上述制备方法简单,获得表面和光电性能良好的TiO2多孔膜。讨论了粉体涂覆法制备TiO2多孔膜中PEG对膜表面形态和光电性能的影响,对该方法进行改进制得TiO2多孔膜,获得4.55%的光电转化效率。本论文对纳米TiO2多孔膜光阳极进行表面处理,通过TEM、SEM、EDS、EIS以及电池光电性能等测试,讨论酸碱处理,碳包覆以及金属元素掺杂对电池光电转化效率的影响。实验证明酸处理提高了短路电流和填充因子,使光电转化效率从4.44%提高到5.13%;与未掺杂的TiO2多孔膜作光阳极的DSSC相比,Mg、Ca、Zn、Sn、La元素的掺杂,提高了电池的光电转化效率。讨论了电解质中I3-/I-浓度和阳离子对于DSSC的光电性能的影响,电解质为0.1mol/L LiI,0.01 mol/L I2,乙腈与乙二醇的体积比为4:1时,电池的光电转化效率最高。以琼脂为凝胶剂的准固态电解质DSSC光电转化效率为1.21%。将镀Pt电极、Pt-Ru电极代替Pt片作为DSSC对电极,电池的光电转化效率分别为2.48%,1.48%。制备了新的碳材料-Pt电极,与Pt片作为对电极的DSSC相比,开路电压提高了24%,填充因子提高了15%,为制备低成本、高催化活性的对电极,提出了研究的新方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理
• 1.2.1 结构
• 1.2.2 工作原理
• 1.2.3 评价参数
• 1.3 二氧化钛纳米薄膜电极
• 1.3.1 二氧化钛纳米薄膜性质
• 1.3.2 二氧化钛纳米薄膜的制备
• 1.3.3 二氧化钛纳米薄膜的低温制备
• 1.3.4 二氧化钛纳米薄膜的改性
• 1.4 染料敏化剂
• 1.4.1 染料敏化剂的特点
• 1.4.2 染料敏化剂的种类
• 1.5 电解质
• 1.5.1 有机溶剂液态电解质
• 1.5.2 离子液体基电解质
• 1.5.3 准固态电解质
• 1.5.4 固态电解质
• 1.6 本课题研究背景及意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验药品及原料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 二氧化钛溶胶的制备
• 2.4 低温条件二氧化钛粉体的制备
• 2.5 二氧化钛多孔膜的制备
• 2.5.1 导电玻璃清洗
• 2.5.2 浸渍提拉法
• 2.5.3 电泳沉积法
• 2.5.4 粉体涂敷法
• 2.6 二氧化钛多孔膜的表面修饰
• 2.6.1 酸碱处理
• 2.6.2 非金属（碳）掺杂实验
• 2.6.3 金属掺杂实验
• 2.7 电池组装
• 2.7.1 敏化过程
• 2.7.2 对电极制备工艺
• 2.7.3 电解质
• 2.8 材料的物化性能测试方法
• 2.8.1 X射线衍射
• 2.8.2 扫描电子显微镜
• 2.8.3 能量色散显微分析
• 2.8.4 透射电子显微镜
• 2.9 电化学性能表征
• 2.9.1 I–V曲线
• 2.9.2 交流阻抗法
• 第三章 染料敏化太阳能电池二氧化钛多孔膜的制备
• 3.1 溶胶凝胶法
• 3.1.1 二氧化钛溶胶制备条件的研究
• 3.1.2 干燥过程和烧结过程对膜表面形态的影响
• 3.1.3 聚乙二醇对二氧化钛多孔膜的影响
• 3.2 电泳沉积法
• 3.2.1 二氧化钛粉体的低温制备
• 3.2.2 电泳沉积法制备二氧化钛多孔膜
• 3.2.3 直接电泳沉积法制备二氧化钛多孔膜
• 3.3 粉体涂覆法
• 3.3.1 聚乙二醇对膜的表面形态及光电性能的影响
• 3.3.2 溶胶凝胶-粉体涂覆法
• 第四章 染料敏化太阳能电池二氧化钛多孔膜的表面处理
• 4.1 酸碱处理
• 4.1.1 酸碱处理对二氧化钛薄膜电极表面形态的影响
• 4.1.2 酸碱处理对二氧化钛薄膜电极染料吸附量的影响
• 4.1.3 酸碱处理对电池光电性能的影响
• 4.2 非金属（碳）掺杂
• 4.2.1 XRD测试结果分析
• 4.2.2 TEM测试结果分析
• 4.2.3 碳掺杂对电池光电性能的影响
• 4.3 金属掺杂
• 4.3.1 EDS测试结果分析
• 4.3.2 金属掺杂对电池光电性能的影响
• 第五章 电解质对电池光电性能的影响
• 3^-/I-氧化还原电对浓度对光电性能的影响'>5.1 电解液中I₃^-/I-氧化还原电对浓度对光电性能的影响
• 5.2 电解液中阳离子对开路电压及短路电流的影响
• 5.3 准固态电解质与液态电解质光电性能对比
• 5.3.1 电解质的制备及相关性能
• 5.3.2 电池光电性能测试结果分析
• 5.3.3 交流阻抗测试结果分析
• 第六章 对电极对电池光电性能的影响
• 6.1 对电极的制备
• 6.2 不同对电极DSSC的光电性能
• 第七章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢