染料敏化太陽(yáng)能電池電解質(zhì)離子傳導(dǎo)及界面電荷轉(zhuǎn)移性能的研究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是基于光電化學(xué)的新型太陽(yáng)能電池,具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。目前,DSSC較多采用有機(jī)液態(tài)溶液作為電解質(zhì),以獲取較高的光電轉(zhuǎn)換效率,但鑒于液態(tài)電解質(zhì)易揮發(fā)、易泄漏等問題,DSSC的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得不到保證。為了提升DSSC的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,聚合物電解質(zhì)開始被研究應(yīng)用于DSSC。但與有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)相比,聚合物電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)性能較差,致使DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率較低,限制了聚合物電解質(zhì)在DSSC中的進(jìn)一步應(yīng)用。因此,本文圍繞電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)及界面電荷轉(zhuǎn)移過程,重點(diǎn)研究有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)以及凝膠聚合物電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)及電荷轉(zhuǎn)移性能,及其對(duì)DSSC光電轉(zhuǎn)換性能的影響機(jī)制,并以此為基礎(chǔ),開發(fā)出兼具較好長(zhǎng)期穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換性能的聚合物電解質(zhì)。研究獲得的主要結(jié)果和結(jié)論如下： (1)制備了含有不同12濃度、陽(yáng)離子、溶劑以及添加劑4-TBP的有機(jī)液態(tài)電解質(zhì),通過測(cè)試不同組分電解質(zhì)DSSC的輸出電流-電壓曲線以及電化學(xué)阻抗譜,分析I-/I3-氧化還原電對(duì)在界面的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理,為后續(xù)開發(fā)聚合物電解質(zhì)提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電解質(zhì)中12的濃度和陽(yáng)離子對(duì)DSSC的光電性能有重要影響。隨著12濃度的增加,DSSC中的電子復(fù)合速率提高,導(dǎo)致DSSC的開路電壓減??；陽(yáng)離子通過與TiO2表面的吸附作用改變DSSC的界面性能,與TiO2表面吸附性最強(qiáng)的Li+獲得最低的開路電壓,而吸附性最弱的TBA+獲得最高的開路電壓；相對(duì)于乙腈(ACN)和3-甲氧基丙腈(MPN),碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶液(EC/PC)作為電解質(zhì)溶劑具有較好的光電轉(zhuǎn)換性能；4-TBP在TBA+電解質(zhì)中對(duì)DSSC光電性能的影響不如在Li+電解質(zhì)中明顯。 (2)制備了含有不同離子濃度的固態(tài)聚合物電解質(zhì),對(duì)不同離子濃度固態(tài)聚合物電解質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,測(cè)試固態(tài)聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、離子擴(kuò)散系數(shù)以及其在DSSC中的光電性能,分析固態(tài)聚合物電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)機(jī)制,著重研究電解質(zhì)中陰離子的傳導(dǎo)行為,以提高固態(tài)聚合物電解質(zhì)在DSSC中的應(yīng)用性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,離子濃度過低,固態(tài)聚合物電解質(zhì)為晶態(tài),不利于離子傳導(dǎo)；離子濃度過高,聚合物分子鏈產(chǎn)生交聯(lián),也會(huì)降低離子的傳導(dǎo)速率。陰離子不與聚合物分子鏈發(fā)生化學(xué)鍵合,依靠聚合物基體中的自由空間來進(jìn)行傳導(dǎo),聚合物基體中自由空間體積越大、陰離子擴(kuò)散系數(shù)越高,離子濃度為EO/LiI=11和8固態(tài)聚合物電解質(zhì)具有最高的陰離子擴(kuò)散系數(shù),可應(yīng)用于DSSC。 (3)制備了含有不同凝膠劑含量的凝膠聚合物電解質(zhì),通過測(cè)試凝膠聚合物電解質(zhì)DSSC的輸出電流-電壓曲線以及電化學(xué)阻抗譜,研究不同凝膠劑含量的電解質(zhì)對(duì)DSSC光電轉(zhuǎn)換性能的影響,分析凝膠聚合物電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)和界面電荷轉(zhuǎn)移性能,并且通過制備復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)對(duì)凝膠電解質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,凝膠聚合物電解質(zhì)可提高DSSC的開路電壓,開路電壓隨著凝膠劑含量的增加而提高,最高開路電壓可達(dá)到0.873V；分析表明凝膠聚合物電解質(zhì)DSSC開路電壓的提高是由Ti02導(dǎo)帶能級(jí)位置的提升以及電子復(fù)合速率減小這兩個(gè)原因所致；相對(duì)于液態(tài)電解質(zhì),凝膠聚合物電解質(zhì)DSSC的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得到明顯提高；具有較大孔隙率以及孔隙尺寸的光陽(yáng)極薄膜有助于提高凝膠聚合物電解質(zhì)在DSSC中的應(yīng)用性能；Ti02納米顆粒提高凝膠聚合物電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)性能,可同時(shí)提高DSSC的開路電壓和短路電流。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 有機(jī)液態(tài)電解質(zhì) 固態(tài)聚合物電解質(zhì) 凝膠聚合物電解質(zhì) 離子傳導(dǎo) 電荷轉(zhuǎn)移
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-33
• 1.1 太陽(yáng)能電池發(fā)展概況10-13
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)13-18
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池組件18-24
• 1.4 染料敏化太陽(yáng)能電池性能參數(shù)24-26
• 1.5 染料敏化太陽(yáng)能電池電解質(zhì)研究進(jìn)展26-31
• 1.6 本課題研究目的及意義31-33
• 2 實(shí)驗(yàn)部分33-46
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器設(shè)備33-34
• 2.2 電解質(zhì)的制備34-36
• 2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的制備36-38
• 2.4 電解質(zhì)及電池的表征38-39
• 2.5 電解質(zhì)及電池的電化學(xué)測(cè)試39-46
• 3 有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的研究46-72
• 3.1 引言46-47
• 3.2 I_2含量對(duì)I~-/I_3~-電解質(zhì)性能的影響47-57
• 3.3 陽(yáng)離子對(duì)I~-/I_3~-電解質(zhì)性能的影響57-61
• 3.4 溶劑對(duì)I~-/I_3~-電解質(zhì)性能的影響61-67
• 3.5 4-TBP對(duì)I~-/I_3~-電解質(zhì)性能的影響67-70
• 3.6 本章小結(jié)70-72
• 4 固態(tài)聚合物電解質(zhì)的研究72-86
• 4.1 引言72
• 4.2 固態(tài)聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)72-75
• 4.3 固態(tài)聚合物電解質(zhì)離子電導(dǎo)率75-79
• 4.4 固態(tài)聚合物電解質(zhì)中陰離子的傳導(dǎo)79-83
• 4.5 固態(tài)聚合物電解質(zhì)在DSSC中的應(yīng)用83-84
• 4.6 本章小結(jié)84-86
• 5 凝膠聚合物電解質(zhì)的研究86-114
• 5.1 引言86
• 5.2 凝膠聚合物電解質(zhì)性能研究86-99
• 5.3 凝膠聚合物電解質(zhì)與光陽(yáng)極的應(yīng)用99-107
• 5.4 復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)的研究107-112
• 5.5 本章小結(jié)112-114
• 6 全文總結(jié)114-117
• 6.1 主要結(jié)論114-115
• 6.2 論文創(chuàng)新115-116
• 6.3 研究展望116-117
• 致謝117-118
• 參考文獻(xiàn)118-139
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及申請(qǐng)的專利139-140

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