TiO_2基染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極制備及性能

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步,人們對(duì)能源的需求量不斷增加。然而,傳統(tǒng)化石能源的儲(chǔ)量有限,其燃燒和利用對(duì)自然環(huán)境造成了污染甚至威脅到了人類的生命安全。太陽(yáng)能作為一種儲(chǔ)量大、無(wú)污染的可再生能源受到了全世界的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)有的幾種太陽(yáng)能電池中,染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)因其制備工藝簡(jiǎn)單,投資成本低,對(duì)環(huán)境污染小的特點(diǎn)引起了各國(guó)研究者的重視。光陽(yáng)極作為染料敏化太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要組成部分,其性能變化直接影響到染料的吸附能力,光捕獲能力和電子傳輸能力,進(jìn)而影響了電池的能量轉(zhuǎn)換效率?，F(xiàn)階段使用最多的Ti02納米晶顆粒薄膜雖然具有很高的比表面積,但是其顆粒之間的接觸界面過(guò)多,使得界面處的電子復(fù)合較為嚴(yán)重,電子的傳輸路徑較長(zhǎng),這直接影響了染料敏化太陽(yáng)能電池最終的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí),由于Ti02納米顆粒薄膜的制備過(guò)程通常是采用涂敷法和絲網(wǎng)印刷法,這就使得薄膜與導(dǎo)電基底(FTO)的結(jié)合力不夠,從而限制了制備技術(shù)的發(fā)展。相比而言,一維結(jié)構(gòu)的Ti02納米薄膜能夠有效的分離電荷,并為電子傳輸過(guò)程提供直接的傳輸路徑。同時(shí),一維結(jié)構(gòu)的有序陣列薄膜能夠有效地減少界面接觸,從而減少電子復(fù)合,提高電池效率。然而傳統(tǒng)的單層陣列薄膜的表面積和比表面積都較小,這直接影響了其染料吸附量,使其轉(zhuǎn)換效率難以提升。據(jù)此,本文通過(guò)刻蝕法來(lái)改變薄膜形貌,進(jìn)而提高DSSC的轉(zhuǎn)換效率,主要內(nèi)容如下： 首先使用鹽酸溶液對(duì)已制得的單層納米棒陣列薄膜進(jìn)行刻蝕并利用控制變量法分別研究反應(yīng)溫度,反應(yīng)時(shí)間和鹽酸濃度對(duì)薄膜性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),刻蝕反應(yīng)在初始階段速度最快,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)速度逐漸減慢。提高反應(yīng)溫度能增加刻蝕反應(yīng)的速度。鹽酸濃度的增加對(duì)刻蝕反應(yīng)的影響最大,對(duì)薄膜光電轉(zhuǎn)換性能的影響也最大。反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),反應(yīng)溫度過(guò)高,鹽酸濃度過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致薄膜的脫落。單層薄膜的轉(zhuǎn)換效率從未刻蝕前的1%增加到了刻蝕后的1.8%。 其次,為了使刻蝕反應(yīng)更加充分地進(jìn)行,引入了Ti02種子層來(lái)提高薄膜和導(dǎo)電基底的結(jié)合力。同時(shí)增加前驅(qū)體濃度和改變FTO濃度,制備出了一種雙層結(jié)構(gòu)的薄膜并用鹽酸溶液對(duì)其進(jìn)行刻蝕。通過(guò)SEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)在刻蝕過(guò)程中,雙層結(jié)構(gòu)上層的納米棒團(tuán)簇逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米管團(tuán)簇,而下層的納米棒陣列轉(zhuǎn)變成了直徑更小的納米線陣列。DSSC的轉(zhuǎn)換效率也從未刻蝕前的0.94提高到了4.13%?？涛g過(guò)程中上、下兩層的形貌變化主要因?yàn)榻鸺t石相納米棒的各向異性以及納米棒外壁和內(nèi)部納米線之間的表面活性不同。 最后,為了進(jìn)一步提高DSSC的轉(zhuǎn)換效率,本文用TiCl4溶液對(duì)刻蝕后的雙層結(jié)構(gòu)薄膜進(jìn)行了改性處理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時(shí)間的增加,納米管團(tuán)簇表面會(huì)逐漸形成絨毛狀的Ti02,提高了短路電流密度,使得DSSC的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.25%,比未刻蝕前提高了27%。處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng),表面附有絨毛狀Ti02的納米管團(tuán)簇會(huì)轉(zhuǎn)變成具有許多分枝結(jié)構(gòu)的納米棒團(tuán)簇,大量的界面接觸會(huì)使得電子復(fù)合較為嚴(yán)重,反而使得短路電流密度降低。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 雙層結(jié)構(gòu)TiO_2薄膜 刻蝕法 TiCl_4改性 轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-24
• 1.1 研究背景9-12
• 1.1.1 現(xiàn)有太陽(yáng)能電池介紹9-10
• 1.1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的結(jié)構(gòu)10-11
• 1.1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理11-12
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的研究進(jìn)展12-21
• 1.2.1 染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極12-19
• 1.2.2 敏化劑19-20
• 1.2.3 電解質(zhì)20-21
• 1.2.4 對(duì)電極21
• 1.3 當(dāng)前DSSC存在的問(wèn)題及解決方法21-22
• 1.4 本論文的研究意義及內(nèi)容22-24
• 1.4.1 研究意義22
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容22
• 1.4.3 本文的創(chuàng)新點(diǎn)22-23
• 1.4.4 技術(shù)路線23-24
• 第2章 染料敏化太陽(yáng)能電池的表征方法24-27
• 2.1 引言24
• 2.2 制備產(chǎn)物的表征方法24-26
• 2.2.1 SEM表征24
• 2.2.2 XRD表征24
• 2.2.3 光電性能表征24-25
• 2.2.4 固體紫外可見(jiàn)吸收光譜測(cè)試25
• 2.2.5 液體紫外可見(jiàn)吸收光譜測(cè)試25
• 2.2.6 染料吸附量的測(cè)定25
• 2.2.7 金相顯微鏡表征25-26
• 2.3 本章小結(jié)26-27
• 第3章 刻蝕法制備TiO_2單層薄膜及其表征27-35
• 3.1 引言27
• 3.2 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器27-28
• 3.3 實(shí)驗(yàn)步驟28-29
• 3.3.1 導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理28
• 3.3.2 TiO_2陣列薄膜的制備28
• 3.3.3 刻蝕法制備TiO_2單層薄膜28-29
• 3.3.4 DSSC的組裝29
• 3.4 結(jié)果與討論29-34
• 3.4.1 光電轉(zhuǎn)換性能測(cè)試29-32
• 3.4.2 SEM分析32-33
• 3.4.3 單層陣列薄膜的刻蝕機(jī)理33-34
• 3.5 本章小結(jié)34-35
• 第4章 兩步水熱法制備新型雙層TiO_2薄膜35-48
• 4.1 引言35
• 4.2 實(shí)驗(yàn)藥品、儀器35-36
• 4.3 實(shí)驗(yàn)步驟36-37
• 4.3.1 樣品的預(yù)處理及TiO_2種子層的制備36
• 4.3.2 初次水熱過(guò)程TiO_2薄膜的制備36
• 4.3.3 刻蝕法制備雙層TiO_2薄膜36
• 4.3.4 DSSC的組裝36-37
• 4.4 結(jié)果與討論37-46
• 4.4.1 金相顯微鏡表征37
• 4.4.2 SEM表征37-41
• 4.4.3 XRD表征41
• 4.4.4 雙層結(jié)構(gòu)薄膜的形成機(jī)理分析41-42
• 4.4.5 光電性能測(cè)試42-43
• 4.4.6 固體紫外光譜分析43-44
• 4.4.7 染料吸附量測(cè)試44-46
• 4.5 本章小結(jié)46-48
• 第5章 染料敏化太陽(yáng)能電池的改性處理48-53
• 5.1 引言48
• 5.2 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器48-49
• 5.3 實(shí)驗(yàn)步驟49-50
• 5.3.1 配置TiCl_4溶液49
• 5.3.2 雙層薄膜的改性處理49
• 5.3.3 DSSC的組裝49-50
• 5.4 結(jié)果與討論50-52
• 5.4.1 SEM測(cè)試50-51
• 5.4.2 光電性能測(cè)試51-52
• 5.5 本章小結(jié)52-53
• 第6章 結(jié)論與展望53-55
• 6.1 結(jié)論53-54
• 6.2 展望54-55
• 致謝55-56
• 參考文獻(xiàn)56-63
• 附錄63-64
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果64

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