染料敏化太阳能电池中TiO2薄膜电极的制备及应用

论文摘要

染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型的光电化学电池,由于其价格便宜、制作工艺简单、对环境友好、可制成大面积等优点而成为当前可再生能源研究领域的一个热点,具有很好的应用前景。DSSC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,其研究结果在半导体光电子学、纳米多孔材料、材料界面理论及光电化学等方面均具有重要的科学意义。本文分别采用水热法、溶胶-凝胶法制备了TiO2胶体,并考察了热处理温度、薄膜厚度等对电池光电性能的影响,以期提高染料敏化太阳能电池的光电效率。主要研究内容如下:（1）以钛酸丁酯、冰醋酸为主要原料,在200oC下,水热结晶12小时,450oC下热处理0.5小时后得到多孔TiO2薄膜电极;分别以Zn2+、Ni2+、Co2+、Cu2+对纳米TiO2薄膜进行表面改性,制备了掺杂不同金属离子的薄膜电极。探讨了不同金属离子、薄膜厚度及煅烧温度对染料敏化太阳能电池光电性能的影响。以100W氙灯作为模拟太阳光,对电池进行光电性能测试,结果表明:掺杂Zn2+的电池光电性能较好,得到了较高的开路电压,达到了0.822V,因此以Zn2+作为过渡金属离子的代表对TiO2薄膜进行表面修饰;当Zn2+为0.08mol/L,热处理温度为450oC,薄膜的厚度为6.78μm时,可获得光电性能较好的电池;（2）以异丙氧醇钛,吐温-20为主要原料,表面活性剂吐温-20为模板,采用溶胶-凝胶法制备了有序的TiO2薄膜;对薄膜厚度、热处理温度、表面活性剂用量等影响染料敏化太阳能电池光电性能的因素进行了研究。以100W氙灯作为模拟太阳光,对电池进行光电性能测试表明:当异丙氧醇钛与表面活性剂的摩尔比为4:1,薄膜的厚度为9.81μm,煅烧温度为500oC时,电池的光电性能较好;（3）采用超声水热联合法,以P25为原料制备了TiO2纳米粉体,将其掺杂于水热法制备的TiO2胶体浆料中,并以其为基体,制作了染料敏化太阳能电池的光阳极,在100W氙灯照射下,对电池进行光电性能测试,结果表明:纳米粉体的加入量、煅烧温度、薄膜的厚度均对电池的性能有很大的影响:当纳米颗粒与胶体质量比为1:2.35,膜的厚度为6.85μm,煅烧温度为450oC时,电池的光电性能较好。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 染料敏化太阳能电池的研究进展
• 1.3 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的结构
• 1.3.2 电池的光电转换原理
• 2 薄膜的制备研究进展'>1.4 纳米TiO₂薄膜的制备研究进展
• 1.4.1 溶胶-凝胶法
• 1.4.2 化学气相沉积法
• 1.4.3 水热合成法
• 1.4.4 高温溶胶沉积技术（SPD）
• 2 膜的组装方法'>1.4.5 有序TiO₂膜的组装方法
• 1.4.6 其它方法及比较
• 2 多孔半导体膜的改性'>1.5 TiO₂多孔半导体膜的改性
• 1.5.1 金属离子的掺杂
• 1.5.2 表面化学改性
• 1.5.3 复合其它氧化物薄膜
• 1.5.4 形貌设计
• 1.6 染料敏化太阳能电池性能的影响因素
• 1.6.1 太阳光强度对DSSC 光电性能的影响
• 1.6.2 温度对DSSC 光电性能的影响
• 1.7 染料敏化太阳能电池面临的问题
• 1.8 本论文的研究目的和研究内容
• 参考文献
• 第二章 电池的制备及性能表征
• 2.1 染料敏化太阳能电池的制备流程
• 2.2 DSSC 的性能测试
• 2.3 DSSC 的性能指标
• 2.3.1 开路电压和短路电流
• 2.3.2 光电转换效率
• 2.3.3 I-V 特性曲线
• 2.4 测试及表征方法
• 2.4.1 粉末X-射线（XRD）晶相分析
• 2.4.2 微观形貌观察
• 2.4.3 薄膜光学性能的测定
• 2.4.4 红外光谱分析
• 2.4.5 电压及电流的测量
• 参考文献
• 2薄膜电极的制备及其在DSSC 中的应用'>第三章 ZnO/TiO₂薄膜电极的制备及其在DSSC 中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 实验主要药品和仪器
• 3.3 实验部分
• 2 胶体'>3.3.1 水热法制备TiO₂胶体
• 2 薄膜电极的制备'>3.3.2 TiO₂薄膜电极的制备
• 2 薄膜电极的制备'>3.3.3 ZnO/TiO₂薄膜电极的制备
• 2 薄膜电极的制备'>3.3.4 染料敏化ZnO/TiO₂薄膜电极的制备
• 3.3.5 其它掺杂金属离子薄膜电极的制备
• 3.3.6 DSSC的组装
• 3.4 结果与讨论
• 2的XRD 分析'>3.4.1 ZnO/TiO₂的XRD 分析
• 2 的红外光谱（FTIR）分析'>3.4.2 ZnO/TiO₂的红外光谱（FTIR）分析
• 2和ZnO/TiO₂薄膜的SEM和EDX图'>3.4.3 纯TiO₂和ZnO/TiO₂薄膜的SEM和EDX图
• 3.4.4 不同金属离子掺杂对电池光电性能的影响
• 2和ZnO/TiO₂电池的光电性能及染料吸收量比较'>3.4.5 纯TiO₂和ZnO/TiO₂电池的光电性能及染料吸收量比较
• 2 薄膜的厚度对短路电流密度、开路电压和染料吸收量的影响'>3.4.6 TiO₂薄膜的厚度对短路电流密度、开路电压和染料吸收量的影响
• 3.4.7 煅烧温度的对电池性能的影响
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 2 薄膜电极及其光电性能研究'>第四章 表面活性剂模板法制TiO₂薄膜电极及其光电性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验主要药品和仪器
• 4.3 实验部分
• 2 胶体'>4.3.1 溶胶-凝胶法制备TiO₂胶体
• 2 有序膜的制备'>4.3.2 染料敏化TiO₂有序膜的制备
• 4.3.2 DSSC的组装和电池性能测试
• 4.4 结果与讨论
• 2的XRD晶相分析'>4.4.1 TiO₂的XRD晶相分析
• 2 的红外光谱（FTIR）分析'>4.4.2 TiO₂的红外光谱（FTIR）分析
• 2 吸附染料前后的 SEM'>4.4.3 TiO₂ 吸附染料前后的 SEM
• 2和有序TiO₂薄膜电极电池的光电性能比较'>4.4.4 无序的TiO₂和有序TiO₂薄膜电极电池的光电性能比较
• 4.4.5 表面活性剂吐温-20的量对电池光电性能的影响
• 2 薄膜的厚度对短路电流密度和开路电压影响'>4.4.6 TiO₂薄膜的厚度对短路电流密度和开路电压影响
• 4.4.7 煅烧温度对电池性能的影响
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 2薄膜的水热合成及光电性能研究'>第五章 纳米晶TiO₂薄膜的水热合成及光电性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验主要药品和仪器
• 5.3 实验部分
• 5.3.1 纳米粉体的制备
• 2 胶体'>5.3.2 水热法制备TiO₂胶体
• 5.3.3 染料敏化薄膜电极的制备
• 5.3.4 DSSC 的组装和电池性能测试
• 5.4 结果与讨论
• 2的XRD晶相分析'>5.4.1 TiO₂的XRD晶相分析
• 2 的红外光谱（FTIR）分析'>5.4.2 TiO₂的红外光谱（FTIR）分析
• 2和掺杂纳米粉体的TiO₂薄膜的SEM 图'>5.4.3 未掺杂的TiO₂和掺杂纳米粉体的TiO₂薄膜的SEM 图
• 2和掺杂纳米粉体TiO₂薄膜电极电池的光电性能及染料吸收量比较'>5.4.4 未掺杂的TiO₂和掺杂纳米粉体TiO₂薄膜电极电池的光电性能及染料吸收量比较
• 5.4.5 粉体加入量变化对电池光电性能的影响
• 2 薄膜的厚度对短路电流密度和开路电压影响'>5.4.6 TiO₂薄膜的厚度对短路电流密度和开路电压影响
• 2膜结构及光电性能的影响'>5.4.7 煅烧温度对TiO₂膜结构及光电性能的影响
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 附录:硕士研究生在读期间发表的论文
• 致谢