染料敏化太陽能電池二氧化鈦光陽極構(gòu)筑及界面調(diào)控研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池因其優(yōu)異性而備受關(guān)注。本文以研究染料敏化太陽能電池二氧化鈦光陽極構(gòu)筑及界面調(diào)控,減少電子復(fù)合提高器件電化學(xué)性能為目的。研究納米顆粒二氧化鈦電極包覆不同氧化物的影響以及氧化鋁包覆合適條件,同時(shí)研究電解質(zhì)添加劑鋰離子、4-叔丁基吡啶對(duì)二氧化鈦/染料/電解質(zhì)界面的電子轉(zhuǎn)移及器件的電化學(xué)性能的影響。采用一步法合成了一維二氧化鈦納米棒,研究合成納米棒的影響因素和納米棒二氧化鈦光陽極的界面調(diào)控。取得主要結(jié)論如下:(1)成功對(duì)納米顆粒二氧化鈦電極包覆Mg O、Sr O、Al2O3、Zr O2、Nb2O5材料,研究了五種氧化物對(duì)器件性能的影響。除了Nb2O5,包覆其他氧化物降低了光注入電子與I-3的復(fù)合,提高了器件性能。當(dāng)包覆Al2O3時(shí),器件在AM 1.5G 100 m W cm-2模擬太陽光輻照條件下獲得6.92%的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)研究電極浸漬時(shí)間及前驅(qū)體濃度包覆Al2O3對(duì)器件性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前驅(qū)體濃度為50 m M,Ti O2電極浸漬時(shí)間為60 s時(shí),能夠有效抑制暗反應(yīng)(2e-+I-3→3I-),提高器件的性能,器件在AM 1.5G 100 m W cm-2模擬太陽光輻照條件下Jsc、Voc、FF、η依次分別為14.69m A cm-2、670 m V、0.71和6.97%。(2)研究了電解質(zhì)添加劑鋰離子、4-叔丁基吡啶對(duì)Ti O2光陽極的調(diào)控作用。發(fā)現(xiàn)隨著電解質(zhì)中鋰離子濃度的增大,Ti O2導(dǎo)帶能級(jí)發(fā)生下移,加速了光生電子與I-3的復(fù)合反應(yīng)。當(dāng)鋰離子濃度為100 m M時(shí),器件在AM 1.5G 100 m W cm-2模擬太陽光輻照條件下的性能最佳,其Jsc、Voc、FF、η依次分別為14.67 m A cm-2、673 m V、0.72和7.11%。隨著電解質(zhì)中4-叔丁基吡啶濃度的增大,Ti O2導(dǎo)帶能級(jí)發(fā)生上移,抑制了光生電子與I-3的復(fù)合反應(yīng)。當(dāng)電解質(zhì)中4-叔丁基吡啶濃度為0.5 M時(shí),器件在AM 1.5G 100 m W cm-2模擬太陽光輻照條件下的性能最佳,其Jsc、Voc、FF、η依次分別為14.27 m A cm-2、688 m V、0.72和7.04%。(3)采用一步水熱法可控合成一維Ti O2納米棒,研究水熱反應(yīng)時(shí)間、溫度、氨水濃度、NH4Cl和異丙醇含量對(duì)Ti O2納米棒形成的影響。表明:五種因素均對(duì)Ti O2納米棒的形貌或結(jié)晶性產(chǎn)生影響。將Ti O2納米棒作為電極,器件在AM 1.5G100 m W cm-2模擬太陽光輻照條件下的光電轉(zhuǎn)換效率為5.56%。進(jìn)一步采用Al2O3修飾Ti O2納米棒電極,發(fā)現(xiàn)器件短路電流密度明顯下降,提高了開路電壓和光生電子壽命,其在AM 1.5G 100 m W cm-2模擬太陽光輻照條件下光電轉(zhuǎn)換效率下降至5.06%。進(jìn)一步將納米棒與Ti O2散射層結(jié)合制備電極,器件在AM 1.5G 100 m Wcm-2模擬太陽光輻照條件下的光電轉(zhuǎn)換效率為6.13%。與基于Ti O2納米顆粒電極的器件相比,器件的開路電壓高及填充因子均得到提高,這是由于納米棒有利于電子傳輸,降低了復(fù)合反應(yīng)。并對(duì)兩種電極包覆Al2O3后,發(fā)現(xiàn)有效的抑制了光生電子與I-3的復(fù)合反應(yīng),器件的開路電壓及填充因子均明顯提高,且納米棒作為光陽極時(shí),器件電化學(xué)性能較好。 【關(guān)鍵詞】：TiO2光陽極 表面修飾 鋰離子 4-叔丁基吡啶 TiO2納米棒包覆
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 課題研究背景及意義11-12
• 1.2 太陽能電池概況12-14
• 1.2.1 太陽能電池的發(fā)展情況12-14
• 1.2.2 太陽電池的分類14
• 1.3 染料敏化太陽能電池簡(jiǎn)介14-18
• 1.3.1 染料敏化太陽能電池概述14-15
• 1.3.2 染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)及工作原理15-17
• 1.3.3 染料敏化太陽能電池性能表征技術(shù)17-18
• 1.4 染料敏化太陽能電池光陽極極材料研究現(xiàn)狀18-25
• 1.4.1 TiO_2電極的包覆調(diào)控研究現(xiàn)狀19-22
• 1.4.2 電解質(zhì)添加劑對(duì)TiO_2電極的修飾研究進(jìn)展22-23
• 1.4.3 一維TiO_2納米結(jié)構(gòu)電極研材料究進(jìn)展23-25
• 1.5 論文選題依據(jù)和主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 1.5.1 論文選題依據(jù)25
• 1.5.2 主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料及研究方法27-36
• 2.1 引言27
• 2.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器27-29
• 2.2.1 主要實(shí)驗(yàn)材料27-28
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器28-29
• 2.3 DSSC器件的制備29-33
• 2.3.1 TiO_2薄膜電極的制備29-30
• 2.3.2 C106染料溶液的配制30-31
• 2.3.3 納米鉑對(duì)電極制備31
• 2.3.4 電解質(zhì)的配制31-32
• 2.3.5 TiO_2薄膜電極包表面覆及敏化32
• 2.3.6 一維TiO_2納米棒的制備及漿料制備32-33
• 2.3.7 DSSC器件組裝33
• 2.4 表征技術(shù)與原理33-36
• 2.4.1 掃描電子顯微鏡(SEM)33-34
• 2.4.2 X射線能譜分析法(EDS)34
• 2.4.3 X射線衍射分析(XRD)34
• 2.4.4 X射線光電子能譜分析(XPS)34
• 2.4.5 N_2吸脫附BET分析34-35
• 2.4.6 紫外可見吸收光譜分析(UV-vis)35
• 2.4.7 透射電鏡分析(TEM)35
• 2.4.8 IPCE及J-V分析35
• 2.4.9 電化學(xué)阻抗譜分析(EIS)35-36
• 第3章 納米顆粒TiO_2光陽極的界面調(diào)控36-54
• 3.1 引言36
• 3.2 納米TiO_2電極界面調(diào)控的表征36-40
• 3.2.1 TiO_2電極斷面SEM表征及TEM表征36-37
• 3.2.2 TiO_2電極不同氧化物包覆的XRD分析37-38
• 3.2.3 TiO_2電極不同氧化包覆的XPS分析38-40
• 3.3 不同氧化物包覆對(duì)太陽能電池的影響研究40-47
• 3.3.1 不同氧化物包覆對(duì)器件性能的影響40-42
• 3.3.2 浸漬時(shí)間對(duì)器件性能的影響42-45
• 3.3.3 浸漬溶液濃度對(duì)器件性能的影響45-47
• 3.4 電解質(zhì)添加劑對(duì)染料敏化太陽能電池的影響研究47-53
• 3.4.1 鋰離子添加劑對(duì)器件性能的影響47-50
• 3.4.2 4-叔丁基吡啶添加劑對(duì)器件性能的影響50-53
• 3.5 本章小結(jié)53-54
• 第4章 一維TiO_2納米棒的合成及界面調(diào)控研究54-72
• 4.1 引言54
• 4.2 一維TiO_2納米棒的可控合成及表征54-64
• 4.2.1 水熱反應(yīng)溫度對(duì)一維TiO_2納米棒的影響55-57
• 4.2.2 水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)一維TiO_2納米棒的影響57-58
• 4.2.3 氨水溶液濃度對(duì)一維TiO_2納米棒合成的影響58-60
• 4.2.4 NH4Cl含量對(duì)一維TiO_2納米棒合成的影響60-62
• 4.2.5 異丙醇含量對(duì)一維TiO_2納米棒合成的影響62-64
• 4.2.6 一維TiO_2納米棒的BET分析64
• 4.3 一維TiO_2納米棒對(duì)器件性能的影響64-70
• 4.3.1 一維TiO_2納米棒修飾后EDS分析65-66
• 4.3.2 一維TiO_2納米棒修飾后TEM分析66
• 4.3.3 不添加散射層的TiO_2納米棒電極修飾及器件表征66-68
• 4.3.4 添加散射層的TiO_2納米棒電極修飾及器件表征68-70
• 4.4 本章小結(jié)70-72
• 結(jié)論72-74
• 參考文獻(xiàn)74-82
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果82-84
• 致謝84

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