染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極和對(duì)電極新材料的探究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)具有安全無(wú)毒、成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),迅速成為太陽(yáng)能大規(guī)模利用的潛在候選者。光陽(yáng)極和對(duì)電極是染料敏化太陽(yáng)能電池的兩個(gè)重要組成部分,他們的組成和結(jié)構(gòu)直接影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。納米Ti02介孔薄膜是目前DSSCs使用最廣泛的光陽(yáng)極材料,在DSSCs中作為染料的載體,具有接收光生電子和傳輸電子的作用,是影響電池光電轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵組成部分。由于納米TiO2薄膜仍存在一些不足,例如較高密度的表面態(tài),以及較低的電子遷移率,這無(wú)疑加速了電荷的重組,限制了的電荷傳輸。為了推進(jìn)染料敏化太陽(yáng)能電池的廣泛應(yīng)用,探索更高效的的光陽(yáng)極,本文在傳統(tǒng)的商業(yè)TiO2 (P25)光陽(yáng)極基礎(chǔ)上,引入具有較高的電子遷移率的Sn02,制備了SnO2/ TiO2復(fù)合材料光陽(yáng)極,加快了光陽(yáng)極上的電子傳輸速率,抑制了光電子的界面復(fù)合,提高了電荷收集效率。同時(shí),對(duì)電極作為染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)的另一重要組成部分,具有收集外電路的電子、吸附電解質(zhì)并不斷催化I3-得到電子后還原為r的重要作用。而傳統(tǒng)的對(duì)電極材料為金屬鉑,其成本約占電池的70%左右,因此尋找低成本的對(duì)電極來(lái)替代鉑成為降低電池成本的關(guān)鍵。本文采用碳與導(dǎo)電聚合物的復(fù)合材料代替鉑作為對(duì)電極,大大降低了電池的成本。通過(guò)測(cè)試電池的光電流密度-電壓輸出特性曲線,探尋影響染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素,分析影響機(jī)理。主要內(nèi)容如下：(1)分別采用10nm的TiO2、20 nm的Sn02制備成電池,與商業(yè)TiO2 (P25)比較,分析影響電池效率的性能參數(shù)。結(jié)果表明,幾種納米半導(dǎo)體薄膜的比表面積、染料吸附量、開(kāi)路電壓、短路電流密度等光電性能參數(shù)差異較大,影響了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。雖然Sn02具有較高的電子遷移率而備受關(guān)注,但是純Sn02不是好的光陽(yáng)極材料。(2)采用Ti02和SnO2混合體系制備TiO2/SnO2復(fù)合光陽(yáng)極,制備了TiO2/SnO2復(fù)合材料染料敏化太陽(yáng)能電池。引入熱-氣泡法合成高結(jié)晶性的3.4nm的SnO2,首先將SnO2與TiO2按照不同的質(zhì)量百分比進(jìn)行混合后制備成混合漿料,通過(guò)絲網(wǎng)印刷法得到混合薄膜,然后通過(guò)將薄膜浸泡在TiCl4水溶液中而在其表面覆蓋一層Ti02,得到TiO2/SnO2復(fù)合材料薄膜。通過(guò)比較基于不同質(zhì)量百分比的Sn02的復(fù)合光陽(yáng)極,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Sn02和Ti02的質(zhì)量百分比為7.5時(shí),復(fù)合電極的比表面積、電導(dǎo)率和電荷收集效率等達(dá)到最大值。討論了TiO2/SnO2復(fù)合材料中光生電子的傳輸及其能帶結(jié)構(gòu),研究復(fù)合材料的光電性質(zhì)以及光生電子傳輸機(jī)理。由四探針?lè)妼?dǎo)率測(cè)試和EIS測(cè)試,證實(shí)了TiO2/SnO2復(fù)合材料薄膜的導(dǎo)電性能優(yōu)異。因此TiO2/SnO2復(fù)合材料電池的短路電流密度大幅度提高,其電池的光電轉(zhuǎn)換效率最大達(dá)到了6.6%,比相對(duì)純Ti02的DSSCs提高了52%。這種高效的SnO2/TiO2已被證實(shí)是染料敏化太陽(yáng)能電池的一種很有前途的光陽(yáng)極半導(dǎo)體復(fù)合材料。(3)將PDDA功能化的多壁碳納米管得到的復(fù)合材料PDDA/CNTs用作對(duì)電極,來(lái)取代傳統(tǒng)的高成本的Pt對(duì)電極,可大大降低電池的成本。討論了影響PDDA/CNTs對(duì)電極組裝的DSSCs的光電性能的主要因素以及電池的穩(wěn)定性。最優(yōu)化的電池的光電轉(zhuǎn)換效率(η)和單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)分別達(dá)到5.65%和61.6%。相對(duì)于純CNTs對(duì)電極組裝的電池,其光學(xué)性能明顯提高,主要?dú)w功于CNTs具有較強(qiáng)的電導(dǎo)率以及PDDA/CNTs復(fù)合材料能在氧化還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。PDDA/CNTs復(fù)合材料是DSSCs對(duì)電極中Pt的一個(gè)出色的潛在替代品。這種低溫合成碳納米管-導(dǎo)電聚合物的方法,為今后的對(duì)電極新材料的研究工作提供了一個(gè)有價(jià)值的參考。(4)尋求簡(jiǎn)單而有效的制備對(duì)電極漿料的方法以及對(duì)電極的鍍膜方法。CNTs和PDDA/CNTs復(fù)合材料對(duì)電極的漿料的制備均采用用去離子水作為溶劑,未添加任何粘合劑或者表面活性劑；引入簡(jiǎn)單的滴加法和低溫干燥的方法得到薄膜；通過(guò)比較旋涂法和滴加法兩種制備對(duì)電極薄膜的方法,發(fā)現(xiàn)兩種電池的效率相當(dāng)；對(duì)于滴加法也可以用于鉑漿料制備對(duì)電極薄膜。這種滴加法以及低溫處理電極薄膜的方法,簡(jiǎn)單易操作,薄膜均勻,膜厚易控制,為碳材料及其導(dǎo)電物復(fù)合材料的對(duì)電極的制備提供了有效的參考。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 對(duì)電極 PDDA/CNTs復(fù)合材料 碳納米管 聚二烯基丙二甲基氯化銨(Poly dimethyl diallyl ammonium chloride PDDA) 光陽(yáng)極 二氧化鈦(TiO_2) 二氧化錫(SnO_2) TiO_2/SnO_2復(fù)合材料
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4;TB33
【目錄】：

• 致謝9-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-23
• 第一章 緒論23-50
• 1.1 太陽(yáng)能電池以及薄膜太陽(yáng)能電池的分類25-26
• 1.1.1 硅系列太陽(yáng)能電池25-26
• 1.1.1.1 單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池25
• 1.1.1.2 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池25-26
• 1.1.1.3 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池26
• 1.1.2 化合物半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池26
• 1.1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池26
• 1.1.4 有坑聚合物太陽(yáng)能電池26
• 1.2 太陽(yáng)能電池的組件及其構(gòu)造26-27
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理27-31
• 1.3.1 染料敏化太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)27-28
• 1.3.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理28-30
• 1.3.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能評(píng)價(jià)參數(shù)30-31
• 1.4 染料敏化太陽(yáng)能電池主要組成部分的性質(zhì)和作用31-32
• 1.4.1 光陽(yáng)極(photoanode)31-32
• 1.4.2 對(duì)電極(CEs)32
• 1.4.3 染料敏化劑(Dye)32
• 1.4.4 電解液(electrolyte)32
• 1.5 染料敏化太陽(yáng)能電池電池各組成部分的研究進(jìn)展32-47
• 1.5.1 光陽(yáng)極的研究進(jìn)展33-40
• 1.5.2 對(duì)電極的研究進(jìn)展40-43
• 1.5.3 染料敏化劑的研究現(xiàn)狀43-46
• 1.5.4 電解液的研究進(jìn)展46
• 1.5.5 存在的問(wèn)題和展望46-47
• 1.6 染料敏化太陽(yáng)能電池的應(yīng)用47-48
• 1.7 本文研究的主要內(nèi)容48-50
• 第二章 染料敏化太陽(yáng)能電池的制備方法與測(cè)試50-65
• 2.1 二氧化鈦納米多孔薄膜光陽(yáng)極的制備50-54
• 2.1.1 漿料的制備50-51
• 2.1.2 FTO導(dǎo)電基底的準(zhǔn)備51-52
• 2.1.3 四氯化鈦的前處理52
• 2.1.4 印膜52-53
• 2.1.5 四氯化鈦后處理53-54
• 2.1.6 染料的浸泡54
• 2.2 電解液的配制54
• 2.3 對(duì)電極的制備54-55
• 2.4 電池的組裝55-56
• 2.5 染料敏化太陽(yáng)能電池的性能測(cè)試方法及原理56-58
• 2.5.1 輸出特性(J-V)測(cè)試56-57
• 2.5.2 單色光光子-電子轉(zhuǎn)換效率測(cè)試57
• 2.5.3 暗電流測(cè)試57-58
• 2.6 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器58-62
• 2.6.1 實(shí)驗(yàn)試劑58-61
• 2.6.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備61-62
• 2.7 材料表征與測(cè)試方法62-65
• 2.7.1 X-射線衍射XRD62
• 2.7.2 掃描電鏡SEM62-63
• 2.7.3 透射電鏡TEM63
• 2.7.4 紫外-可見(jiàn)吸收光譜(LV-VIS SPECTRA)63-65
• 第三章 兩種典型的納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池65-73
• 3.1 P25和10納米的二氧化鈦納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池65-70
• 3.1.1 P25光陽(yáng)極的電池65-67
• 3.1.2 10納米的二氧化鈦光陽(yáng)極的電池67-70
• 3.2 單分散的氧化錫納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池70-72
• 3.2.1 ～20納米的氧化錫的制備70-71
• 3.2.2 氧化錫納米晶光陽(yáng)極電池的制備71
• 3.2.3 氧化錫納米晶材料的TEM表征71
• 3.2.4 氧化錫納米晶光陽(yáng)極電池性能測(cè)試71-72
• 3.3 分析與討論72
• 3.4 本章小結(jié)72-73
• 第四章 用Hot-bubbling方法合成的3.5納米的SnO_2的復(fù)合材料在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用73-89
• 4.1 試劑與儀器74
• 4.2 3.4納米的氧化錫的熱-氣泡法(Hot-bubbling method)的合成及表征74-77
• 4.2.1 3.4納米的氧化錫的Hot-bubbling method合成74-75
• 4.2.2 3.4納米的氧化錫的XRD、TEM表征75-77
• 4.3 基于3.4納米的氧化錫的SnO_2/TiO_2復(fù)合材料電池的制備77-78
• 4.3.1 基于3.4納米的氧化錫的SnO_2/TiO_2復(fù)合材料漿料的制備77
• 4.3.2 基于3.4納米的氧化錫的SnO_2/TiO_2復(fù)合材料光陽(yáng)極的制備77-78
• 4.3.3 基于3.4納米的氧化錫電池的組裝78
• 4.3.4 基于20nm氧化錫的SnO_2/TiO_2的復(fù)合材料和P25光陽(yáng)極及其電池的制備78
• 4.4 表征儀器與設(shè)備78
• 4.5 結(jié)果與討論78-87
• 4.5.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分析79-80
• 4.5.2 透射電子顯微鏡(TEM)和高分辨率的透射電鏡(HRTEM)分析80
• 4.5.3 XRD分析80-81
• 4.5.4 紫外可見(jiàn)吸收光譜UV-vis分析81
• 4.5.5 四探針?lè)娮杪屎突魻栃?yīng)測(cè)試81-82
• 4.5.6 N_2吸附-脫附等溫線分析82
• 4.5.7 J-V曲線分析82-83
• 4.5.8 電化學(xué)交流阻抗(EIS)分析83-85
• 4.5.9 調(diào)制光電壓和光電流光譜(IMPS和IMVS)分析85-87
• 4.6 本章小結(jié)87-89
• 第五章 CNTS以及PDDA/CNTS復(fù)合材料對(duì)電極的染料敏化太陽(yáng)能電池89-109
• 5.1 引言89-91
• 5.2 CNTs以及PDDA/CNTs復(fù)合材料對(duì)電極的研究91-95
• 5.2.1 材料91
• 5.2.2 CNTs以及PDDA/CNTs復(fù)合材料以及Pt對(duì)電極的制備91-94
• 5.2.3 光陽(yáng)極的制備94
• 5.2.4 電池的封裝94-95
• 5.3 表征儀器與設(shè)備95-96
• 5.3.1 CNTs分散性的表征95
• 5.3.2 CNTs以及PDDA/CNTs復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征95
• 5.3.3 電池的J-V特性曲線測(cè)試95-96
• 5.3.4 電池的CV和EIS測(cè)試96
• 5.4 材料分析與討論96-101
• 5.4.1 ZETA(ζ)電勢(shì)的測(cè)試結(jié)果與分析96-98
• 5.4.2 TG和DSC測(cè)試結(jié)果與分析98
• 5.4.3 XPS測(cè)試結(jié)果與分析98-99
• 5.4.4 Raman譜和FTIR譜測(cè)試結(jié)果與分析99-100
• 5.4.5 SEM和TEM測(cè)試結(jié)果與分析100-101
• 5.5 不同材料的對(duì)電極電化學(xué)性能以及電池性能測(cè)試與分析101-104
• 5.5.1 J-V和IPCE光伏特性研究101-103
• 5.5.2 循環(huán)伏安(CV)測(cè)試103-104
• 5.5.3 EIS測(cè)試104
• 5.7 基于不同質(zhì)量百分比PDDA/CNTs對(duì)電極的電池的光伏性能104-105
• 5.8 基于不同厚度的CNTs,PDDA/CNTs對(duì)電極組裝的電池的光伏性能105-106
• 5.9 基于滴加法和旋涂法兩種不同鍍膜方法得到的PDDA/CNTs對(duì)電極電池的光伏性能106-107
• 5.10 本章小結(jié)107-109
• 第六章 總結(jié)與展望109-111
• 6.1 主要結(jié)論109-110
• 6.2 展望110-111
• 參考文獻(xiàn)111-125
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文125-127
• 參與的課題127

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