抑制染料聚集優(yōu)化染料敏化太陽能電池器件的研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池(DSCs)是利用吸附于半導(dǎo)體表面的染料分子來捕獲太陽光并把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型太陽能電池,具有成本低廉、制作工藝簡單、可制備大面積的柔性電池等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。如何提高DSCs的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命是目前有機(jī)太陽能電池研究的兩個關(guān)鍵問題。本論文從共吸附劑競爭吸附,在電解質(zhì)中加入添加劑和優(yōu)化半導(dǎo)體電極三個方面入手,對基于芳胺類敏化劑的器件性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和優(yōu)化,提高了光電轉(zhuǎn)換效率。同時研究了準(zhǔn)固態(tài)電池的光電性能,與液態(tài)電池相比,提高了電池的穩(wěn)定性,延長了電池的使用壽命。各章的主要內(nèi)容和主要結(jié)論簡述如下： 第一章簡要介紹染料敏化納米晶太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理,以及評價太陽能電池性能的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,綜述了目前染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展和亟待解決的問題,提出了本論文的研究思路和內(nèi)容。 第二章介紹了染料敏化太陽能電池的制作過程和測試方法,重點(diǎn)介紹了幾種不同的納米尺度的TiO2膠體的制作方法,以及利用Doctor Blade和絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備多孔膜電極的方法。 第三章利用共吸附劑鵝去氧膽酸(CDCA),對兩個含有吩噻嗪的有機(jī)染料(P1和P2)的光電性能進(jìn)行了優(yōu)化。研究了不同濃度的共吸附劑對兩種染料的吸收光譜和光電性能的影響,結(jié)果表明共吸附劑有效地抑制了染料的π-π堆積,提高了電子的注入效率,進(jìn)而提高短路電流。當(dāng)CDCA濃度為10 mM時,染料P1和P2的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值,分別為4.80%和5.31%,與未添加CDCA的兩個染料的DSCs光電轉(zhuǎn)換效率相比分別提升了33%和25%。同時交流阻抗數(shù)據(jù)顯示,CDCA的加入,使染料的電子壽命也有所提升,這是開路電壓顯著提高的原因。 第四章首次將含有亞氨基聯(lián)芪和亞氨基二芐給體單元引入到有機(jī)太陽能電池染料敏化劑中,系統(tǒng)研究了四個亞氨基聯(lián)芪類敏化染料M1-M4的光物理、電化學(xué)和光電轉(zhuǎn)換效率。研究表明：增大共軛體系,吸收波長發(fā)生紅移,摩爾消光系數(shù)增加,含有亞氨基聯(lián)芪和噻吩乙烯的染料M2共軛體系最大,最大吸收波長最長,摩爾消光系數(shù)最大,有利于吸收更多的太陽光；同時M2具有最低的LUMO軌道能級,激發(fā)態(tài)電子注入到Ti02導(dǎo)帶的效率最高。將四個染料與三苯胺類似物的光電性能進(jìn)行了比較,亞氨基聯(lián)芪類的敏化劑M1-M4顯示出更好的光伏性能,說明亞氨基聯(lián)芪衍生物是一類很好的電子給體。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn),亞氨基聯(lián)芪為電子給體的光敏染料(M2和M4)的光電性能優(yōu)于含亞氨基二芐給體的染料(M1和M3)。針對有機(jī)敏化劑中普遍存在的聚集問題,我們采用了鵝去氧膽酸抑制吸附,改變電解質(zhì)中4-叔丁基吡啶(TBP)的濃度和不同溶劑(二氯甲烷、乙醇、異丙醇、叔丁醇、甲苯、甲醇和四氫呋喃等)染浴三條途徑,對電池的器件進(jìn)行了優(yōu)化。通過性能測試,確定了染料M2敏化的太陽能電池的最優(yōu)化條件：在異丙醇的染浴中加入濃度為5mM的CDCA,液態(tài)電解質(zhì)中含1.0M的TBP。在最優(yōu)化條件下,染料M2的DSCs的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了5.96%(Jsc=13.28 mA cm-2,Voc=649mV,ff=0.69)的光電轉(zhuǎn)換效率。同時,研究了準(zhǔn)固態(tài)電池的性能與穩(wěn)定性,其光電轉(zhuǎn)換效率略低于液態(tài)電池,但是穩(wěn)定性大幅提升,經(jīng)過1000小時的加速老化,效率分別為最佳值的97%,95%,98%和99%。 第五章為了進(jìn)一步拓展敏化劑的光譜吸收范圍,有效提高染料分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效率和穩(wěn)定性,將具有強(qiáng)吸電子性能的苯并噻二唑單元引入到含有亞氨基聯(lián)芪的染料中,構(gòu)建D-A-π-A新型敏化劑S1-S4。分別研究了含有苯并噻二唑乙炔(S3和S4)和苯并噻二唑單元(S1和S2)的染料的吸收光譜和光伏性能,發(fā)現(xiàn)三鍵的引入,并沒有使吸收光譜發(fā)生紅移,反而降低了光電轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)一步研究了不同的共軛橋?qū)γ艋瘎┬阅艿挠绊?實驗結(jié)果表明,雖然以苯環(huán)為共軛橋的染料(S2和S4)比以噻吩為共軛橋的染料(S1和S3),吸收光譜發(fā)生了藍(lán)移,但是LUMO軌道能級提高,有助于電子注入效率增強(qiáng),從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。光伏性能研究顯示：基于苯并噻二唑單元和苯環(huán)共軛橋染料S2的性能最好,未經(jīng)優(yōu)化時,染料S1-S4的光電轉(zhuǎn)換效率分別為5.16%,5.36%,1.39%和2.86%。利用在染浴中加入共吸附劑、調(diào)整電解質(zhì)中TBP的濃度以及優(yōu)化Ti02電極厚度三種方法,對染料的電池器件進(jìn)行了優(yōu)化,最高的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了6.71%(Jsc=13.69 mA cm-2,Voc=722mV,ff=0.68).同時制作了準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的電池,光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.91%(Jsc=10.65 mA cm-2,Voc=673mV,ff=0.68),穩(wěn)定性得到顯著提高,在1000 h光照下,效率仍為最佳值的97%。 第六章針對含苯并[c]噻吩單元的敏化染料(X1-X2)的光物理、電化學(xué)性能、光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性評價等方面開展了系統(tǒng)的研究。研究表明：隨著染料X2共軛體系的增大,吸收光譜大大拓寬,但是同時加劇了染料的聚集。通過在染浴中添加鵝去氧膽酸作為共吸附劑,優(yōu)化Ti02電極的厚度、改變電解質(zhì)中TBP的濃度等方法,對染料的電池器件進(jìn)行了優(yōu)化,染料X1和X2的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了4.97%和2.14%,分別提升了27.3%和28.5%。對兩個染料的準(zhǔn)固態(tài)電池性能進(jìn)行了研究,在長時間加速測試中都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,在1000 h光照下,光伏參數(shù)仍為最佳值的95%。 第七章研究了兩個基于三苯胺和苯并噻二唑的菁染料Ⅰ和Ⅱ的光物理、電化學(xué)性能和太陽電池的光伏性能。在AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光源下,兩個染料未經(jīng)CDCA優(yōu)化的最高入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率值分別達(dá)到了57%和78%,其光電轉(zhuǎn)換效率分別為2.40%和2.97%。這說明三苯胺和苯并噻二唑單元連接鍵不同對電池的光伏性能有影響,其連接鍵為三鍵時具有更好的電荷傳輸性能。針對菁染料容易發(fā)生H-聚集和J-聚集的特點(diǎn),我們采用了先浸泡共吸附劑CDCA的方法來抑制染料聚集態(tài)的產(chǎn)生,達(dá)到了較好的效果,光電轉(zhuǎn)換效率分別增加了7.9%和10.4%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 鵝去氧膽酸 聚集 優(yōu)化 光電轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要7-10
• Abstract10-16
• 第1章 引言16-54
• 1.1 染料敏化太陽能電池(DSCs)的發(fā)展背景與性能17-18
• 1.2 染料敏化太陽能電池(DSCs)的結(jié)構(gòu)及工作原理18-21
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)18-19
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池的工作原理19-21
• 1.3 DSCs測試標(biāo)準(zhǔn)條件與性能評價指標(biāo)21-24
• 1.3.1 DSCs測試標(biāo)準(zhǔn)條件21-22
• 1.3.2 單色光轉(zhuǎn)化效率(IPCE)22-23
• 1.3.3 Ⅰ-Ⅴ曲線23-24
• 1.4 納米晶金屬氧化物電極24-28
• 1.4.1 TiO_224-27
• 1.4.2 ZnO27-28
• 1.4.3 其它金屬氧化物28
• 1.5 染料28-46
• 1.5.1 金屬配合物29-31
• 1.5.2 卟啉和酞菁31-33
• 1.5.3 有機(jī)染料33-45
• 1.5.4 共敏化45
• 1.5.5 總結(jié):DSCs染料的發(fā)展45-46
• 1.6 電解質(zhì)和空穴傳輸材料46-50
• 1.6.1 液態(tài)氧化還原電解質(zhì)46-47
• 1.6.2 凝膠和聚合物電解質(zhì)47-48
• 1.6.3 離子液體電解質(zhì)48
• 1.6.4 添加劑48-49
• 1.6.5 其它氧化還原電對49
• 1.6.6 固態(tài)空穴傳輸材料49-50
• 1.6.7 無機(jī)空穴傳輸材料50
• 1.7 染料敏化TiO_2的表面鈍化50-51
• 1.8 對電極51-52
• 1.8.1 鉑電極51-52
• 1.8.2 碳電極52
• 1.8.3 導(dǎo)電聚合物52
• 1.8.4 硫化鈷52
• 1.9 前景與選題依據(jù)52-54
• 第2章 染料敏化太陽能電池的制作與測試方法54-62
• 2.1 引言54-55
• 2.2 實驗部分55-61
• 2.2.1 實驗材料與儀器55-56
• 2.2.2 TiO_2膠體的制備56-58
• 2.2.3 導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理58
• 2.2.4 納米TiO_2電極的制備58-59
• 2.2.5 TiCl_4水溶液的配制59
• 2.2.6 TiO_2電極的預(yù)處理與敏化59-60
• 2.2.7 對電極的制備60
• 2.2.8 電解質(zhì)的配制60
• 2.2.9 DSCs的組裝60-61
• 2.3 TiO_2電極的微觀形貌61-62
• 第3章 鵝去氧膽酸對吩噻嗪類染料敏化劑光電性能優(yōu)化的研究62-72
• 3.1 引言62-63
• 3.2 吩噻嗪染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光伏性能63-71
• 3.2.1 光物理性質(zhì)63-65
• 3.2.2 電化學(xué)分析65-66
• 3.2.3 染料的光電性能測試66-70
• 3.2.4 準(zhǔn)固態(tài)DSCs光電性能的測試70-71
• 3.3 本章小結(jié)71-72
• 第4章 基于亞氨基聯(lián)芪單元染料敏化劑的光電性能研究72-89
• 4.1 引言72-73
• 4.2 亞氨基聯(lián)芪染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光伏性能73-87
• 4.2.1 光物理性質(zhì)73-75
• 4.2.2 電化學(xué)性質(zhì)75-77
• 4.2.3 染料器件的光電性能測試77-79
• 4.2.4 敏化染料器件的光電性能優(yōu)化79-85
• 4.2.5 準(zhǔn)固態(tài)DSCs光電性能的測試85-87
• 4.3 本章小結(jié)87-89
• 第5章 含亞氨基聯(lián)芪的D-A-π-A型敏化劑的光伏性能研究89-100
• 5.1 引言89-90
• 5.2 亞氨基聯(lián)芪染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光伏性能90-99
• 5.2.1 光物理性質(zhì)90-91
• 5.2.2 電化學(xué)性質(zhì)91-93
• 5.2.3 染料器件的光電性能測試93-95
• 5.2.4 敏化染料器件的光電性能優(yōu)化95-97
• 5.2.5 準(zhǔn)固態(tài)DSCs光電性能的測試97-98
• 5.2.6 交流阻抗98-99
• 5.3 本章小結(jié)99-100
• 第6章 含苯并[c]噻吩單元的染料敏化劑的光電性能研究100-112
• 6.1 引言100-101
• 6.2 苯并[c]噻吩染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光伏性能101-111
• 6.2.1 光物理性質(zhì)101-103
• 6.2.2 電化學(xué)性質(zhì)103-104
• 6.2.3 染料器件的光電性能測試104-106
• 6.2.4 敏化染料器件的光電性能優(yōu)化106-109
• 6.2.5 準(zhǔn)固態(tài)DSCs光電性能的測試109-110
• 6.2.6 交流阻抗110-111
• 6.3 本章小結(jié)111-112
• 第7章 基于苯并噻二唑的菁染料敏化劑的光伏性能研究112-119
• 7.1 引言112-113
• 7.2 結(jié)果與討論113-118
• 7.2.1 紫外-可見吸收光譜113-114
• 7.2.2 電化學(xué)分析114-115
• 7.2.3 染料器件的光電性能測試115-118
• 7.3 本章小結(jié)118-119
• 第8章 結(jié)論119-121
• 參考文獻(xiàn)121-133
• 附錄133-135
• 致謝135

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