太阳能电池相关测试系统开发及染料敏化太阳能电池染料还原速率的研究

论文摘要

太阳能的光电转换是开发太阳能的最重要途径。太阳能电池是一个半导体器件,这一器件在受到太阳光照射时产生的光伏效应将太阳辐射能直接转换成直流电能。半导体材料的平带电位（Flat band potential）,入射单色光子-电子转化效率IPCE（Incident photon-to-electron conversion efficiency）,太阳能电池的电流-电压曲线（I-V曲线）等都是表征太阳能电池性能好坏的重要参数,因此,开发相应的测试系统是从事太阳能电池的研究的重要基本工具。针对太阳能电池研究中对半导体材料的平带电位、IPCE和电流-电压曲线测量和数据分析的需求,设计相应的测量装置和方法,并在Microsoft Excel环境下,通过使用VBA （Visual Basic Application）工具,对基于GPIB（General Purpose Interface Bus）总线的恒电位仪和单色仪等仪器设备进行编程实现平带电位、IPCE和I-V曲线的自动测量功能,并且集成了数据处理及数据管理功能,对实验结果进行处理分析,极大的提高了测量及数据处理的效率,为用户的频繁使用提供了有力支持。对于染料敏化太阳能电池,染料的还原过程（2dye++3I-→2dye+I3-）是同时涉及到工作电极（TiO2薄膜电极）和电解质的重要反应过程,染料还原速率的大小会对电池的短路光电流有很大的影响。因此,染料还原速率对电池的机理（尤其对电解质的机理）研究具有重要意义。染料敏化电池中染料的氧化和还原反应是由一系列复杂的反应所构成。其的氧化和还原速率如何将直接影响该电池的稳定性和电池的转换效率。本文采用对染料氧化还原过程的循环伏安曲线进行计算机模拟,进而与实验曲线拟合的方法,近似的得出染料氧化和还原反应的反应速度常数。并用实验结果验证这一方法的有效性。这样就为优化该电池的性能提供一定的指导依据。基于对循环伏安曲线的计算机模拟,本论文完成了特定反应体系的循环伏安曲线的拟合,近似的得出了该体系中染料氧化和还原反应的表观反应速度常数,为今后进一步的研究其他体系奠定了一定的基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第1 章前言
• 1.1 敏化太阳能电池的基本结构和工作原理
• 1.1.1 敏化太阳能电池的基本结构
• 1.1.2 敏化太阳能电池的工作原理
• 1.2 敏化太阳能电池的发展历史及研究现状
• 1.3 太阳能电池中描述光电性能的重要参数测量
• 1.3.1 半导体薄膜电极的平带电位测量
• 1.3.2 入射单色光的光电转换效率（IPCE）测量
• 1.3.3 电流－电压关系曲线（I－V 曲线）测量
• 1.4 染料敏化太阳能电池电极表面染料还原速率的研究
• 1.5 本课题的提出和研究路线
• 1.5.1 太阳能电池相关测试软件的设计与开发
• 1.5.2 染料敏化太阳能电池电极表面染料还原速率的研究
• 参考文献
• 第2 章太阳能电池相关测试系统的设计与开发
• 2.1 仪器设备
• 2.1.1 GPIB 接口总线
• 2.1.2 GPIB 程控测试仪器
• 2.1.3 其它器材
• 2.2 自动测试系统设计
• 2.2.1 NI-488/NI-488.2 通信协议在VBA 环境下的实现
• 2.2.2 可变电势光谱法测定平带电位系统的设计
• 2.2.3 IPCE－λ曲线测试系统的设计
• 2.2.4 I－V 曲线测试系统的设计
• 2.3 工作总结
• 参考文献
• 第3 章计算机模拟循环伏安研究染料还原速率
• 3.1 半积分方法计算循环伏安曲线
• 3.1.1 可逆反应的循环伏安曲线计算
• 3.1.2 不可逆或准可逆反应的计算
• 3.2 模拟循环伏安研究电极表面染料还原速度
• 3.2.1 电极表面为可逆反应
• 3.2.2 电极表面为准可逆或不可逆反应
• 3.2.3 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的文章
• 附录
• 附录一 NI-488.2 常规函数集
• 附录二 NI-488.2 多设备函数集