染料敏化太阳能电池纳米TiO2薄膜的制备与性能研究

论文摘要

染料敏化太阳能电池（DSSC电池）是一种新型光电化学太阳能电池,由于它制作工艺简单、成本低和性能稳定,并且对环境无污染,具有良好的开发前景。它是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。纳米TiO2薄膜是染料敏化太阳电池的重要组成部分,其形貌对电池性能影响显著。本文通过XRD、SEM和TEM表征、DSSC电池的组装、光电性能测试等,研究DSSC电池中TiO2薄膜的制备,其对电池效率的影响及可能的解决办法。本论文的具体研究内容和主要结论在于:1.本文系统研究了不同制备方法对TiO2薄膜显微结构的影响。分别采用旋涂法、电泳沉积法、粉末涂覆法、丝网印刷法制备了TiO2薄膜,通过四种方法制备的TiO2薄膜显微结构比较可得:不同方法制备的TiO2薄膜形貌差异很大。通过制备方法对TiO2薄膜显微结构影响的分析,为染料敏化太阳电池中TiO2光阳极材料制备方法的选择提供了依据。2.采用丝网印刷制备染料敏化太阳电池用TiO2薄膜电极时,TiO2的浆料组成对电极结构、电池J-V特性有重要影响。本文采用无水体系的TiO2胶体丝网印制TiO2薄膜,并组装电池,测试性能。研究发现曲拉通（Triton X-100）、聚乙二醇（PEG-2000）可以明显改变TiO2电极显微结构,且对电池的性能影响显著。过少或过多的曲拉通或聚乙二醇都将导致开路电压、短路电流、填充因子以及效率的降低。由3g P25粉末配制的胶体中,当聚乙二醇含量在0.8g附近、曲拉通含量在0.20.8ml之间时,染料敏化太阳电池光电转化效率较好。组装成电池后,当电池有效面积为0.28 cm2,在标准氙灯模拟器下（AM 1.5,100mW/cm2）测试电池J-V特性,电池光电转换效率可达3.2%。3.采用Sol-Gel法,以钛酸四丁酯为原料自制纳米级TiO2粉,研究pH值对凝胶时间和粒径的影响,从而优化其制备工艺条件。并将自制的TiO2粉与Triton X-100、乙酰丙酮混合后,通过丝网印刷的方法制备DSSC的多孔光阳极。组装成电池后,当其有效面积为0.28 cm2,在标准氙灯模拟器下（AM 1.5,100mW/cm2）测试电池的J-V特性,得到了3.22﹪的光电转换效率。4.以商用金红石相TiO2粉末为原料,通过在碱性溶液中150℃水热48h的方法合成TiO2纳米管。根据不同温度下纳米粉末形貌的演变过程,提出纳米管是由纳米圆盘卷曲而形成的观点。并将TiO2纳米管与Triton X-100、乙酰丙酮混合后,通过丝网印刷的方法制备DSSC的多孔光阳极。组装成电池的有效面积为0.28 cm2,并在标准氙灯模拟器下（AM 1.5,100mW/cm2）测试电池J-V特性,得到2.17﹪的光电转换效率,为TiO2薄膜电极的研究提供了一个新的发展方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1-1 研究背景
• 1-2 太阳能电池介绍
• 1-2-1 硅太阳电池
• 1-2-2 化合物半导体电池
• 1-2-3 有机太阳电池
• 1-3 染料敏化太阳电池
• 1-3-1 染料敏化太阳电池的结构和基本原理
• 1-3-2 染料敏化太阳电池的性能指标
• 1-3-3 影响DSSC 性能的因素
• 1-3-4 染料敏化太阳能电池的研究进展
• 2薄膜电极'>1-4 纳米晶TiO₂薄膜电极
• 2 薄膜研究的意义'>1-4-1 纳米晶TiO₂薄膜研究的意义
• 2 薄膜对DSSC 的影响'>1-4-2 纳米晶TiO₂ 薄膜对DSSC 的影响
• 2 薄膜的制备方法'>1-4-3 纳米晶TiO₂薄膜的制备方法
• 1-5 研究内容和意义
• 第二章 实验与测试方法
• 2-1 实验原料与设备
• 2-1-1 实验原料
• 2-1-2 所用仪器
• 2-2 测试与表征
• 2-2-1 测试仪器
• 2-2-2 测试方法
• 2 薄膜显微结构的影响'>第三章 制备方法对纳米 TiO₂薄膜显微结构的影响
• 3-1 实验方法
• 2 薄膜'>3-1-1 旋涂法制备TiO₂薄膜
• 2 薄膜'>3-1-2 电泳沉积法制备TiO₂薄膜
• 2 薄膜'>3-1-3 粉末涂敷法制备TiO₂薄膜
• 2 薄膜'>3-1-4 丝网印刷法制备TiO₂薄膜
• 3-2 实验结果与讨论
• 3-2-1 F1 测试结果与分析
• 3-2-2 F2 测试结果与分析
• 3-2-3 F3 测试结果与分析
• 3-2-4 F4 测试结果与分析
• 3.3 本章小结
• 2 浆料组分对电池性能的影响'>第四章 TiO₂浆料组分对电池性能的影响
• 2纳米多孔膜的制备过程'>4-1 TiO₂纳米多孔膜的制备过程
• 4-1-1 系列1（曲拉通含量不同）
• 4-1-2 系列 2（聚乙二醇含量不同）
• 4-2 电池的组装
• 4-2-1 组装流程
• 4-2-2 染料的性能表征
• 4-2-3 镀铂对电极
• 4-3 Triton X-100 的量对电池性能的影响
• 2 薄膜显微结构分析'>4-3-1 TiO₂薄膜显微结构分析
• 4-3-2 电池性能测试结果分析
• 4-4 PEG-2000 的量对电池性能的影响
• 4-5 本章小结
• 2 纳米粉及应用'>第五章 Sol-Gel 法自制 TiO₂纳米粉及应用
• 5-1 Sol-gel 的形成机理
• 5-2 pH 值对凝胶时间的影响
• 5-3 pH 值对粒径的影响
• 2纳米粉的应用'>5-4 自制TiO₂纳米粉的应用
• 2 薄膜的制备'>5-4-1 TiO₂薄膜的制备
• 5-4-2 组装电池及性能测试
• 5.5 本章小结
• 2 纳米管及应用'>第六章 水热法合成 TiO₂纳米管及应用
• 6-1 实验部分
• 2 纳米管的制备'>6-1-1 TiO₂纳米管的制备
• 2 薄膜的制备'>6-1-2 纳米管TiO₂薄膜的制备
• 6-1-3 组装电池
• 6-2 实验结果与分析
• 6-2-1 TEM 分析
• 6-2-2 XRD 分析
• 6-2-3 电池性能测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果