新型高效疊層及復(fù)合染料敏化太陽能電池研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell, DSC)是模擬自然界光合成原理的種新型光伏電池。具有理論光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低、制作工藝簡單等優(yōu)點,受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。雖然其理論光電轉(zhuǎn)換效率被推測為33-36%,但是迄今為止報道的最高效率為11～13%,尚待進一步提高。很多研究者對如何提高光電轉(zhuǎn)換效率進行了廣泛研究。其中提高光利用率、拓寬DSC吸收光譜是提高DSC效率的重要手段之一。疊層及復(fù)合DSC作為拓寬電池吸收光譜的兩種有效的方式,不僅可有效克服協(xié)同敏化存在的染料分了問不利的競爭吸附和相互作用,而且以其結(jié)構(gòu)靈活多樣、可獲得較高開路電壓(Voc)或短路電流密度(Jsc)等優(yōu)點成為國際研究的前沿課題。此外,目前制約疊層DSC光電轉(zhuǎn)換效率大幅提高的因素是未成功開發(fā)出高效的器件結(jié)構(gòu)和近紅外染料。關(guān)于復(fù)合DSC的研究報道還比較少,且具有效率不高、制作過程繁瑣等不利因素,在一定程度上限制了其應(yīng)用。針對目前應(yīng)用于DSC的近紅外染料存在的近紅外光利用不允分、吸收范圍窄、效率低等問題,需開發(fā)具有強、寬近紅外吸收的染料。因此,本論文的研究重點是設(shè)計研究新型高效的疊層及復(fù)合DSC,探索具有強、寬近紅外吸收的染料應(yīng)用于DSC。 本論文首先設(shè)計構(gòu)建了以下三種不同結(jié)構(gòu)的疊層DSC：四電極交叉式、四電極背靠背式及三電極面對面式,系統(tǒng)研究了三種疊層DSC的性能、頂層及底層電池效率的影響因素。證實了疊層DSC短路電流密度及效率的疊加特件。疊層DSC中頂層電池光陽極及對電極是影響頂層電池效率的主要因素。底層電池效率則受不同結(jié)構(gòu)疊層DSC透光率、頂層光陽極透光率及對電極等因素影響。疊層DSC整體效率約為頂層和底層電池效率之和。 其次設(shè)計開發(fā)了一種基于膜轉(zhuǎn)移方法的新型復(fù)合DSC,對其進行了高效化、結(jié)構(gòu)有效性等研究,并對染料間相互作用及Voc機理作了初步探討。研究發(fā)現(xiàn)新型復(fù)合結(jié)構(gòu)有效拓寬了電池的吸收光譜,其單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)及Jsc為復(fù)合光陽極兩部分值的疊加,獲得了11.05%的效率,充分證實了復(fù)合結(jié)構(gòu)的有效性。通過光電化學性質(zhì)研究分析了復(fù)合DSC獲得較高Voc的原因TiO2/染料/電解質(zhì)界面的背反應(yīng)等。最后,將復(fù)合DSC與疊層DSC、染料協(xié)同敏化電池進行了對比,結(jié)果表明新型復(fù)合DSC具有最高的光電轉(zhuǎn)換效率。這部分是本論文的核心部分,開發(fā)的復(fù)合電池為新型結(jié)構(gòu),有效實現(xiàn)了光譜的擴展及效率的大幅提高。 最后設(shè)計合成了四種具有不同取代基的硫代雙烯鎳配合物,對其進行了表征,系統(tǒng)研究了化合物的結(jié)構(gòu)特性、熱穩(wěn)定性、電化學、光化學等性質(zhì)。研究表明合成的硫代雙烯鎳配合物具有較好的熱穩(wěn)定性,在700～1100 nm具有較強吸收,具有較高的摩爾消光系數(shù)。取代綦效應(yīng)及溶劑效應(yīng)均對λmax產(chǎn)生影響。通過施加偏壓,對硫代雙烯鎳配合物的各種價態(tài)進行了歸屬。電化學研究結(jié)果表明硫代雙烯鎳配合物具有良好的可逆氧化還原特性。使用密度泛函理論(DFT)計算了化合物的能級及電子云分布。將硫代雙烯鎳配合物應(yīng)用于DSC,證實了此類近紅外染料應(yīng)用于DSC的可行性。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 疊層 復(fù)合 近紅外染料 硫代雙烯鎳
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 引言13-14
• 1 太陽能與太陽能電池14-25
• 1.1 引言14-15
• 1.2 可再生能源15-17
• 1.3 太陽能17-22
• 1.3.1 基本介紹17-18
• 1.3.2 太陽光譜18
• 1.3.3 太陽輻射和太陽常數(shù)18-19
• 1.3.4 我國太陽能資源分布19-21
• 1.3.5 太陽能利用現(xiàn)狀21-22
• 1.4 太陽能電池22-25
• 1.4.1 太陽能電池發(fā)展簡介22
• 1.4.2 太陽能電池定義與分類22-23
• 1.4.3 太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢23-25
• 2 染料敏化太陽能電池(DSC)25-61
• 2.1 引言25
• 2.2 基本結(jié)構(gòu)及工作原理25-28
• 2.3 DSC性能指標及評價方法28-32
• 2.3.1 開路電壓(Voc)28
• 2.3.2 短路電流密度(Jsc)28-29
• 2.3.3 光電流密度-光電壓曲線(I-V)29-30
• 2.3.4 光電轉(zhuǎn)換效率(η)30
• 2.3.5 單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)30-31
• 2.3.6 電化學阻抗譜(EIS)31-32
• 2.4 DSC研究總體概況32-35
• 2.4.1 納米半導(dǎo)體32-33
• 2.4.2 電解質(zhì)33-34
• 2.4.3 對電極34
• 2.4.4 染料34-35
• 2.5 DSC高效化研究狀況35-59
• 2.5.1 染料協(xié)同敏化37-39
• 2.5.2 疊層DSC39-47
• 2.5.2.1 傳統(tǒng)疊層DSC39-44
• 2.5.2.2 N-P型疊層DSC44-46
• 2.5.2.3 DSC與異種太陽能電池疊加46-47
• 2.5.3 復(fù)合DSC47-50
• 2.5.4 用于DSC的近紅外染料50-59
• 2.5.4.1 酞菁染料50-53
• 2.5.4.2 菁染料53-56
• 2.5.4.3 改進型釕染料56
• 2.5.4.4 混合型染料56-59
• 2.6 本論文選題依據(jù)、課題研究內(nèi)容及意義59-61
• 3 疊層DSC的設(shè)計制作及光電性能研究61-81
• 3.1 引言61
• 3.2 三種疊層DSC的設(shè)計與結(jié)構(gòu)61-63
• 3.3 三種疊層DSC的制作與測試63-69
• 3.3.1 材料、試劑與儀器63-64
• 3.3.1.1 材料63
• 3.3.1.2 試劑63
• 3.3.1.3 儀器63-64
• 3.3.2 電池制作64-68
• 3.3.2.1 導(dǎo)電玻璃預(yù)處理64
• 3.3.2.2 P25漿料的制備64-65
• 3.3.2.3 TiO_2薄膜的制備65
• 3.3.2.4 TiO_2薄膜的敏化65-66
• 3.3.2.5 對電極的制備66
• 3.3.2.6 電池組裝66-68
• 3.3.3 光電性能測試68-69
• 3.4 三種疊層DSC光電性能研究69-80
• 3.4.1 疊層DSC的性質(zhì)69-73
• 3.4.1.1 短路電流密度、效率疊加特性研究71-73
• 3.4.1.2 開路電壓特性研究73
• 3.4.2 頂層電池效率影響因素73-76
• 3.4.2.1 相同結(jié)構(gòu)不同光陽極的影響73-75
• 3.4.2.2 不同結(jié)構(gòu)中對電極的影響75-76
• 3.4.3 底層電池效率影響因素76-79
• 3.4.3.1 不同結(jié)構(gòu)透光率的影響76-78
• 3.4.3.2 不同頂層光陽極透光率的影響78
• 3.4.3.3 不同結(jié)構(gòu)中對電極的影響78-79
• 3.4.4 疊層DSC整體效率影響因素79-80
• 3.5 本章小結(jié)80-81
• 4 新型復(fù)合DSC的設(shè)計制作及光電性能研究81-105
• 4.1 引言81
• 4.2 新型復(fù)合DSC的設(shè)計與結(jié)構(gòu)81-83
• 4.3 新型復(fù)合DSC的制作與性能測試83-87
• 4.3.1 材料、試劑與儀器83-84
• 4.3.1.1 材料83
• 4.3.1.2 試劑83-84
• 4.3.1.3 儀器84
• 4.3.2 電極制作及電池組裝84-86
• 4.3.2.1 復(fù)合光陽極的制備84-86
• 4.3.2.2 對電極的制備及電池組裝86
• 4.3.3 光電性能測試86-87
• 4.4 膜轉(zhuǎn)移方法制備復(fù)合光陽極87-88
• 4.5 復(fù)合光陽極膜性能研究88-89
• 4.6 新型復(fù)合DSC光電性能研究89-102
• 4.6.1 疊加性質(zhì)研究89-93
• 4.6.2 高效化研究93-95
• 4.6.3 結(jié)構(gòu)有效性研究95-97
• 4.6.4 染料間相互作用研究97-99
• 4.6.5 開路電壓研究99-100
• 4.6.6 機理研究100-102
• 4.7 復(fù)合DSC與疊層DSC、協(xié)同敏化電池對比分析102-104
• 4.8 本章小結(jié)104-105
• 5 近紅外染料的開發(fā)及其應(yīng)用于DSC的研究105-132
• 5.1 引言105
• 5.2 染料的設(shè)計合成及表征105-112
• 5.2.1 試劑儀器105-106
• 5.2.2 測試方法106-107
• 5.2.3 染料應(yīng)用器件組裝107-108
• 5.2.3.1 DSC的制作107
• 5.2.3.2 近紅外濾光片的制作107-108
• 5.2.4 染料的設(shè)計與合成路線108-109
• 5.2.5 染料的合成與表征109-112
• 5.2.5.1 雙(1,2-二苯乙烯-1,2-二硫戊雜環(huán))鎳配合物A109-110
• 5.2.5.2 雙(1,2-二對甲苯乙烯-1,2-二硫戊雜環(huán))鎳配合物B110-111
• 5.2.5.3 雙(1,2-二對甲酯基苯乙烯-1,2-二硫戊雜環(huán))鎳配合物C111
• 5.2.5.4 雙(1,2-二對羧基苯乙烯-1,2-二硫戊雜環(huán))鎳配合物D111-112
• 5.3 結(jié)構(gòu)特性112-118
• 5.3.1 單晶結(jié)構(gòu)112-117
• 5.3.2 晶體堆積117-118
• 5.4 熱穩(wěn)定性118-119
• 5.5 光化學性質(zhì)119-123
• 5.5.1 IR119
• 5.5.2 紫外-可見-近紅外吸收光譜119-123
• 5.5.2.1 取代基效應(yīng)119-120
• 5.5.2.2 溶劑效應(yīng)120-122
• 5.5.2.3 染料在TiO_2膜上的吸收光譜122-123
• 5.5.3 光譜電化學123
• 5.6 電化學123-127
• 5.6.1 循環(huán)伏安(CV)123-126
• 5.6.2 差示脈沖伏安(DPV)126-127
• 5.7 密度泛函理論計算(DFT)127-128
• 5.8 應(yīng)用128-130
• 5.8.1 DSC128-129
• 5.8.2 近紅外濾光片129-130
• 5.8.3 近紅外防偽油墨130
• 5.8.4 應(yīng)用展望130
• 5.9 本章小結(jié)130-132
• 結(jié)論132-134
• 參考文獻134-145
• 附錄A 名詞縮寫145-146
• 附錄B 試劑縮寫146-147
• 附錄C 部分染料結(jié)構(gòu)式147-149
• 創(chuàng)新點摘要149-150
• 作者簡介150
• 攻讀博士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況150-154
• 致謝154-155

您可以在本站搜索以下學術(shù)論文文獻來了解更多相關(guān)內(nèi)容

硫化物合成及其在染敏太陽能電池中的應(yīng)用    王昌云

光伏技術(shù)三十年    張存生,張紀生,程發(fā)泉

疊層太陽能電池的研究與發(fā)展    郝春云,楊明輝,楊海濤,高玲

染料敏化太陽能電池的內(nèi)部阻抗分析    王富民;鞏峰;李成亮;

近紅外激光防護染料    楊小兵,丁松濤,楊裕生,周曉海

有機染料敏化TiO_2納米薄膜太陽能電池研究進展    鄭敏;陳一勝;

正交法優(yōu)化電沉積CuInSe_2薄膜條件的研究    徐玲;劉昌齡;吳世彪;童彬;陳少華;徐立紅;

新型席夫堿配合物的合成和雙光子性質(zhì)研究    吳杰穎,張居舟,施鵬飛,周虹屏

生物燃料進展研究    閆強;王安建;王高尚;于汶加;陳其慎;

太陽電池及其發(fā)展方向    呂建;殷洪亮;

淺析太陽電池并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)    殷洪亮;呂建;

淺談風光互補發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用    呂建;殷洪亮;

鋰離子電池正極材料鈷酸鋰近期研制進展    閆時建,田文懷,其魯

有機太陽能電池研究近況    趙文甲;司晶星;

光纖傳輸光電檢測脈沖間隔與寬度雙重調(diào)制    史錦珊,王莉田,王玉田

硬脂酸單層LB膜上化學沉積銀膜的研究    劉恒權(quán);姚素微;班春梅;余碧濤;張衛(wèi)國;王宏智;

Cu_xIn_yGa_zO_n納米粉體的共沉淀法制備與表征    鄭春滿;肖靜;韋永滔;郭宇杰;謝凱;

二種新型電源的應(yīng)用需求分析    高英倩;廉志彪;王向偉;趙衛(wèi)民;

Y_2O_3對LaMg_(12)型儲氫合金電化學性能的影響    王敬;馬興泰;張莉;吳鋒;

聚變堆低活化馬氏體鋼的發(fā)展    黃群英;郁金南;萬發(fā)榮;李建剛;吳宜燦;

環(huán)境友好材料的研究進展    李愛菊;陳紅雨;

樹枝狀8-羥基喹啉鋅的合成和熒光性能研究    管建軍;強西懷;馬茶;申亮;

高分子納米LB膜的制備及其光刻性能研究    曾國良;李鐵生;許文儉;張素華;王筠;趙娜;吳養(yǎng)潔;

二氧化鈦納米晶染料敏化太陽電池的最新研究進展    苗青青;馬廷麗;

V_3TiNi_(0．56)Cr_x(x=0．1，0．3)貯氫合金耐堿液腐蝕性能研究    劉守平;田衛(wèi)國;劉仁龍;劉小軍;劉志紅;

復(fù)合納米薄膜制備及其摩擦學行為研究    程廣貴

淀粉/纖維素類生物質(zhì)發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)氫氣和甲烷的機理研究    謝斌飛

Ti-V-Fe系儲氫合金的微觀結(jié)構(gòu)及儲氫性能研究    杭州明

鋰電池電極材料的磁性及電化學性質(zhì)研究    陳紅

基于DPV的藍色和白色有機發(fā)光器件及其效率滾降研究    張?zhí)扈?/span>

二維紡錘形生色團分子的合成與光學材料的制備    張曉龍

有機電致發(fā)光器件性能改善研究    劉國強

反型聚合物太陽能電池的研究    李福民

四氧化三鐵在有機電致發(fā)光器件中的應(yīng)用研究    張丹丹

可再生能源發(fā)電政策與環(huán)境效益分析方法研究    秦湘靈

鋰離子電池正極材料磷酸錳鋰合成方法的研究    秦明

雜環(huán)聚合物的合成與光電性能研究    陳鑫

敏化太陽能電池中染料的合成研究    徐丹

側(cè)基橫掛偶極單元的液晶聚對苯撐乙炔的合成及性質(zhì)表征    王方文

染料敏化太陽能電池電極改性研究    石德暉

樹脂炭包覆微晶石墨作鋰離子電池負極材料研究    徐樂

非共軛D-A和A-D-A型吡啶甲酸衍生物及其環(huán)金屬配合物的合成與性能研究    梁愛輝

聚合物光伏器件和染料敏化太陽能電池柔性對電極的制備與研究    黃輝

（5，8-喹啉撐乙烯）與（2-甲氧基-5-辛氧基對苯撐乙烯）共聚物的合成、表征及發(fā)光性能研究    張娟娟

含氮雜環(huán)化合物的合成及4-羥基香豆素綠色生產(chǎn)工藝研究    阮明波

染料敏化太陽能電池中的光電極制備技術(shù)    唐笑;錢覺時;黃佳木;

陰極修飾對染料敏化TiO_2太陽能電池性能的改進    范樂慶,吳季懷,黃昀昉,林建明

形貌可控的TiO_2納米晶的溶膠凝膠-水熱法組合制備    包南;馬東;孫劍;張鋒;馬志會;

雙D-π-A結(jié)構(gòu)芳胺類染料的合成及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用研究    洪艷平

氣象用太陽輻射計量儀表檢定系統(tǒng)研究    蘇拾

離子液體電解質(zhì)的研制及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用    趙杰

太陽能電池研究和發(fā)展現(xiàn)狀    毛愛華

太陽能電池研究進展    梁宗存,沈輝,李戩洪

第七屆歐洲光伏會議記實    王斯成;

疊層片式ZnO壓敏電阻器及其在ESD保護中的應(yīng)用    雷鳴;成鵬飛;李盛濤;

一種疊層結(jié)構(gòu)綠光有機電致發(fā)光器件    郭法文;鄧振波;

疊層結(jié)構(gòu)有機電致發(fā)光器件    郭法文;鄧振波;高建綱;

纖維纏繞壓力容器的漸近解    鐘正華,羅建輝

疊層壓敏電阻器及其發(fā)展    薛泉林

無紡布織物涂層的吸波性能    朱立群;古璟;李衛(wèi)平;劉慧叢;趙波;

基于疊層結(jié)構(gòu)的本體異質(zhì)結(jié)有機太陽電池    張馨芳;徐征;趙謖玲;張福俊;李妍;吳春瑜;陳躍寧;

采用真空鍍膜制備的疊層結(jié)構(gòu)有機場效應(yīng)晶體管的研究    趙明;李訓(xùn)栓;宋長安;馬朝柱;袁建挺;汪潤生;李遠飛;張光輝;郭晗;葉早晨;彭應(yīng)全;

有機薄膜太陽電池的研究進展    王琦;王娜娜;于軍勝;蔣亞東;

連續(xù)環(huán)式疊層結(jié)構(gòu)膜片聯(lián)軸器    王金才

一種厚耗盡層Si探測器的研制    譚繼廉;盧子偉;張金霞;李存瑤;田大宇;寧寶俊;張錄;

一種厚耗盡層Si探測器的研制    譚繼廉;盧子偉;張金霞;李存璠;田大宇;寧寶俊;張錄;

a-Si PIN/OLED圖像傳感顯示器的設(shè)計與模擬    楊恢東;吳春亞;熊紹珍;

RIBLL終端縱向場雙疊層電離室及其實驗應(yīng)用    陳志強;詹文龍;郭忠言;肖國青;王猛;王金川;寧振江;王全進;王建松;李加興;王建峰;

疊層結(jié)構(gòu)GaInAsSb熱光伏電池的設(shè)計和優(yōu)化    彭新村;李國興;張寶林;趙曉薇;董鑫;鄭偉;杜國同;

攝影術(shù)—已處理攝影材料—存儲用存檔包裝物    

紅外探測器中的異質(zhì)界面和缺陷的研究    劉安生;邵貝羚;安生;劉崢;王敬;

單色及雙色碲鎘汞器件計算機仿真模擬    孫浩;王成剛;

雙層夾心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的橫向沖擊特性    江大志;

具有逆磁電效應(yīng)的高性能復(fù)合磁電材料研究    焦杰;汪堯進;賈艷敏;趙祥永;羅豪甦;

陳貴清：獻身唐山熱土    閆瑾 趙珺

AMD發(fā)布世界速度最快的CMOS晶體管    

納米晶體材料走出一片天空    翟陽

三井金屬礦業(yè)開發(fā)出新一代高耐熱性極薄銅箔    羅?；?/span>

電荷產(chǎn)生層對疊層有機發(fā)光器件性能影響的研究    鄧艷紅

高速大應(yīng)變冷拔鋼絲的組織和力學性能    涂益友

新型高效疊層及復(fù)合染料敏化太陽能電池研究    苗青青

多場耦合層狀結(jié)構(gòu)的振動與波動    周云英

有機小分子太陽能電池的效率優(yōu)化及衰減性研究    鄒業(yè)

基于哈密頓辛對偶體系的若干梁/板結(jié)構(gòu)問題研究    楊有貞

原子層淀積金屬氧化物阻變存儲器件研究    陳琳

軋制及反應(yīng)退火制備微疊層TiB_2-TiAl復(fù)合材料板組織與性能    崔喜平

某航空材料疊層結(jié)構(gòu)失效行為的跨尺度分析    李曉東

PN疊層結(jié)構(gòu)熱電發(fā)電器制作初步研究    王鵬飛

疊層結(jié)構(gòu)有機場效應(yīng)晶體管的制備與研究    趙明

異質(zhì)性透明材料疊層結(jié)構(gòu)服役行為的一體化研究    靳永強

界面層對CMN/CT疊層薄膜結(jié)構(gòu)和介電性能的影響    劉存金

埋微帶天線陣復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)力電性能分析    趙偉

疊層有機電致發(fā)光器件中過渡金屬氧化物內(nèi)部連接層的界面電子結(jié)構(gòu)研究    保秦燁

微型疊層芯片的紅外測溫實驗研究    仇風神

一種應(yīng)用于有機電致發(fā)光器件的多層有機/無機薄膜疊層封裝結(jié)構(gòu)的初步研究    謝月

柔性透明導(dǎo)電薄膜的研究    紀樂春