染料敏化太陽(yáng)能電池電解質(zhì)的研究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池(DSCs)由于其清潔廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注,然而這種電池目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。制約這種電池產(chǎn)業(yè)化的兩個(gè)關(guān)鍵因素是效率和穩(wěn)定性。一方面,盡管采用液態(tài)電解質(zhì)的DSCs的光電轉(zhuǎn)化效率(η)已經(jīng)達(dá)到了11%,但是,仍然低于理論值,暗反應(yīng)是制約電池效率提高的重要因素；另一方面,采用的液態(tài)電解質(zhì)存在著揮發(fā)泄露的問(wèn)題,嚴(yán)重影響了電池的穩(wěn)定性。因此,抑制暗反應(yīng)并提高電池的穩(wěn)定性是目前亟待解決的問(wèn)題。(1)就暗反應(yīng)而言,注入到二氧化鈦中的電子既可以在被收集到導(dǎo)電玻璃上以后,在導(dǎo)電玻璃與電解質(zhì)的界面和I3-發(fā)生暗反應(yīng),又可以在二氧化鈦膜上直接和I3-發(fā)生暗反應(yīng)。在導(dǎo)電玻璃的表面沉積一層二氧化鈦緊密層可以阻止電子在導(dǎo)電玻璃表面上發(fā)生的暗反應(yīng),而在電解質(zhì)中加入添加劑可以有效的抑制發(fā)生在二氧化鈦膜上的暗反應(yīng),進(jìn)而提高電池效率。(2)就穩(wěn)定性而言,采用準(zhǔn)固態(tài)和全固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)可以解決電解質(zhì)的揮發(fā)和泄露問(wèn)題,提高電池的穩(wěn)定性。基于此,本論文開(kāi)展了如下研究工作： 1.為了抑制發(fā)生在導(dǎo)電玻璃界面上的暗反應(yīng),用TiCl4水解的方法在導(dǎo)電玻璃上沉積了二氧化鈦緊密層,對(duì)制備的二氧化鈦緊密層用XRD、SEM、紫外可見(jiàn)光譜、伏安法、電化學(xué)交流阻抗的方法進(jìn)行了表征和分析,并考察了其對(duì)電池性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明制備的二氧化鈦緊密層為銳鈦礦相,厚度大約為100 nm,是由10-1 5nm的二氧化鈦顆粒組成。伏安法和電化學(xué)交流阻抗試驗(yàn)表明該緊密層在低電壓下可以有效阻止發(fā)生在導(dǎo)電玻璃表面的暗反應(yīng),這有利于電池開(kāi)路電壓(Voc)和填充因子(FF)的提高,使得電池的轉(zhuǎn)化效率由7.5%增加到8.1%。 2.為了抑制發(fā)生在二氧化鈦表面的暗反應(yīng),設(shè)計(jì)合成了一種廉價(jià)的DSCs電解質(zhì)用添加劑：異煙酸烯丙酯(AIN, allyl isonicotinate)。AIN可以在室溫下快速合成而不需要任何溶劑。將AIN添加在電解質(zhì)中可以提高電池的開(kāi)路電壓、填充因子和短路電流,進(jìn)而使電池的效率由6.5%提高到8.2%。阻抗的研究表明吸附在二氧化鈦表面的AIN可以有效抑制發(fā)生在二氧化鈦膜上的暗反應(yīng),提高電子壽命,同時(shí)AIN的吸附使得二氧化鈦的導(dǎo)帶負(fù)移了55 mV。這些都有利于電池性能的提高。 3.為了解決液態(tài)電解質(zhì)的揮發(fā)和泄露問(wèn)題,制備了聚丙烯酸甲酯/聚乙二醇(PMA/PEG,poly(methyl acrylate)/poly(ethylene glycol))基準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)并用來(lái)組裝電池。PMA/PEG共混聚合物可以吸附大量的液態(tài)電解質(zhì)。在25℃,該電解質(zhì)的電導(dǎo)率和I3-的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.1 mS cm-1和2.3×10-6cm2 s-1。采用本電解質(zhì)并結(jié)合三苯胺類有機(jī)染料做敏化劑組裝的DSCs在30 mW cm-2的光強(qiáng)下達(dá)到5.76%的轉(zhuǎn)化效率。該電池在60℃下放置1000 h效率基本不變,展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。其中,PEG的存在可以有效提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率并提高電池的轉(zhuǎn)化效率。 4.進(jìn)一步制備了全固態(tài)電解質(zhì),即：烷氧基咪唑碘離子聚合物/Si02納米復(fù)合電解質(zhì)。通過(guò)優(yōu)化I2、1,2-2甲基-3-丙基咪唑碘(DMPImI,1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide)和Si02納米顆粒的含量,形成了高效電子交換通道使得電解質(zhì)達(dá)到了0.151 mS cm-1的電導(dǎo)率。電解質(zhì)進(jìn)一步用差示掃描熱分析儀和SEM進(jìn)行表征。熱分析的結(jié)果表明,制備的電解質(zhì)的熔點(diǎn)為120℃。通過(guò)SEM可以觀察到電解質(zhì)和二氧化鈦膜之間接觸良好。用此電解質(zhì)結(jié)合三苯胺類有機(jī)染料組裝成的電池在100和10 mW cm-2的光強(qiáng)下達(dá)到了2.70%和4.12%的光電轉(zhuǎn)化效率。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 緊密層 添加劑 準(zhǔn)固態(tài) 全固態(tài) 電解質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：南開(kāi)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 緒論14-43
• 第一節(jié) 各類太陽(yáng)能電池的原理和研究概況14-18
• 1.1.1 光伏效應(yīng)14-15
• 1.1.2 各類太陽(yáng)能電池的原理和研究概況15-18
• 第二節(jié) DSCs的基本概念和原理18-19
• 第三節(jié) DSCs中的暗反應(yīng)及其對(duì)電池性能的影響19-23
• 1.3.1 DSCs中的暗反應(yīng)19-21
• 1.3.2 暗反應(yīng)對(duì)電池性能的影響21-23
• 第四節(jié) DSCs電解質(zhì)研究進(jìn)展和存在的問(wèn)題23-34
• 1.4.1 液態(tài)電解質(zhì)研究進(jìn)展24-29
• 1.4.2 準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的研究進(jìn)展29-31
• 1.4.3 全固態(tài)電解質(zhì)研究進(jìn)展31-34
• 第五節(jié) 論文選題思路和主要研究?jī)?nèi)容34-35
• 參考文獻(xiàn)35-43
• 第二章 DSCs的制備及TiO_2緊密層的研究43-62
• 第一節(jié) 引言43
• 第二節(jié) DSCs的制備工藝43-49
• 2.2.1 儀器與藥品43-44
• 2.2.2 光陽(yáng)極的制備44-46
• 2.2.3 光陰極的制備46-47
• 2.2.4 電解質(zhì)的配置47
• 2.2.5 電池組裝47-48
• 2.2.6 DSCs的測(cè)試及測(cè)試原理48-49
• 第三節(jié) TiO_2緊密層性能的研究49-59
• 2.3.1 引言49
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)部分49-50
• 2.3.3 結(jié)果與討論50-59
• 第四節(jié) 本章小結(jié)59-60
• 參考文獻(xiàn)60-62
• 第三章 DSCs電解質(zhì)添加劑的研究62-84
• 第一節(jié) 引言62-64
• 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)部分64-69
• 3.2.1 儀器與藥品64
• 3.2.2 AIN的合成和表征64-66
• 3.2.3 電池的組裝和電解質(zhì)的配制66
• 3.2.4 試驗(yàn)方法66-68
• 3.2.5 理論計(jì)算68-69
• 第三節(jié) 結(jié)果與討論69-80
• 3.3.1 光譜分析69-70
• 3.3.2 循環(huán)伏安法對(duì)添加劑的研究70-71
• 3.3.3 電池性能71-73
• 3.3.4 電化學(xué)方法對(duì)DSCs的研究73-78
• 3.3.5 AIN對(duì)導(dǎo)帶移動(dòng)的進(jìn)一步研究78-79
• 3.3.6 初步的理論計(jì)算79-80
• 第四節(jié) 本章小結(jié)80-81
• 參考文獻(xiàn)81-84
• 第四章 DSCs準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的研究84-104
• 第一節(jié) 引言84-85
• 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)部分85-89
• 4.2.1 儀器與藥品85-86
• 4.2.2 PMA/PEG共混聚合物及準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的制備86-87
• 4.2.3 電池的組裝87-88
• 4.2.4 測(cè)試方法88-89
• 第三節(jié) 結(jié)果與討論89-102
• 4.3.1 PMA/PEG共混聚合物熱分析89
• 4.3.2 準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)化和表征89-94
• 4.3.3 電池性能94-101
• 4.3.4 電池穩(wěn)定性測(cè)試101-102
• 第四節(jié) 本章小結(jié)102
• 參考文獻(xiàn)102-104
• 第五章 DSCs全固態(tài)電解質(zhì)的研究104-125
• 第一節(jié) 引言104-106
• 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)部分106-110
• 5.2.1 儀器與藥品106-107
• 5.2.2 二氧化硅制備和表征107-108
• 5.2.3 全固態(tài)AIIP/SiO_2納米復(fù)合電解質(zhì)的制備108-109
• 5.2.4 染料的合成和表征109-110
• 5.2.5 電池的組裝110
• 5.2.6 測(cè)試方法110
• 第三節(jié) 結(jié)果與討論110-122
• 5.3.1 電解質(zhì)的優(yōu)化和表征110-118
• 5.3.2 DSCs性能研究118-122
• 第四節(jié) 本章小結(jié)122-123
• 參考文獻(xiàn)123-125
• 第六章 結(jié)論與展望125-128
• 致謝128-129
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果129-130

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