介觀太陽能電池高效穩(wěn)定電解質(zhì)添加劑的研究

【摘要】：作為兩種典型的介觀太陽能電池(Mesoscopic Solar Cells),染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cells, DSCs)和鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cells, PSCs)由于具有低成本,環(huán)境友好,制備工藝簡單等優(yōu)點,被世界各國科學家廣泛研究。添加劑對于提升介觀薄膜太陽能的光電性能和長期穩(wěn)定性具有重要的作用。本論文結(jié)合離子液體本身難揮發(fā)的優(yōu)勢和吡啶基團在電解質(zhì)中的特殊作用,開發(fā)了兩類高效、穩(wěn)定的吡啶基功能化離子液體,并將其應用于染料敏化太陽能電池電解質(zhì)和鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸劑中,不僅簡化了體系,而且也增加了其穩(wěn)定性。 首先,我們合成了吡啶基碘鹽作為DSCs的電解質(zhì)新型添加劑。與傳統(tǒng)的添加劑4-叔丁基吡啶(TBP)相比,這類碘鹽表現(xiàn)出雙功能特性,既能提供碘負離子,又能抑制電子復合。該工作系統(tǒng)研究了這類吡啶基碘鹽添加劑的熱穩(wěn)定性,并揭示了分子結(jié)構(gòu)與電解質(zhì)特性及電池光電性能之間的關系。結(jié)果表明,基于這類吡啶基碘鹽,DSCs的電解質(zhì)體系可以大大簡化,這有利于降低電池成本。同時,在使用商業(yè)化TiO2(P25)光陽極的基礎上,包含這種新型添加劑的DSCs獲得了7.81%的能量轉(zhuǎn)換效率,這一結(jié)果可以與基于TBP的電池器件相媲美。此外,基于這種新型添加劑的DSCs表現(xiàn)出了良好的耐久性。 其次,我們首次將一種離子液體型添加劑N-丁基-N'-(4-吡啶基庚)咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺鎓鹽(BuPyIm-TFSI)引入PSCs電池體系中。與傳統(tǒng)的添加劑TBP不同,這種添加劑無毒、不易揮發(fā)、性能較為穩(wěn)定。更重要的是,這種添加劑具有雙功能特性,即不但可以提高空穴傳輸材料的電學性能,又能抑制PSCs中電荷復合。研究結(jié)果表明,添加BuPyIm-TFSI明顯提高了空穴傳輸層(spiro-OmetaD)的電導率,并減小了電池內(nèi)部的暗電流,電池的能量轉(zhuǎn)換效率也因此從3.83%(純spiro-OmetaD)提高了7.91%。采用這種雙功能的添加劑可以有效簡化空穴傳輸劑的成分,降低電池的生產(chǎn)成本。 【關鍵詞】：添加劑 電解質(zhì) 染料敏化太陽能電池 鈣鈦礦太陽能電池 空穴傳輸劑
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-29
• 1.1 課題的研究背景9-10
• 1.2 染料敏化太陽能電池(DSCs)10-20
• 1.2.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理10-11
• 1.2.2 性能參數(shù)11-13
• 1.2.3 各組件的研究現(xiàn)狀13-17
• 1.2.4 電解質(zhì)添加劑的研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3 鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)20-28
• 1.3.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理20-21
• 1.3.2 各組件的研究現(xiàn)狀21-27
• 1.3.3 空穴傳輸材料添加劑的研究現(xiàn)狀27-28
• 1.4 課題研究內(nèi)容及意義28-29
• 2 實驗方法29-34
• 2.1 試劑和設備29-30
• 2.1.1 實驗試劑29-30
• 2.1.3 實驗設備30
• 2.2 分析測試方法30-34
• 2.3.1 紫外可見吸收光譜(UV-VIS)30
• 2.3.2 X射線衍射分析(XRD)30-31
• 2.3.3 掃描電子顯微鏡(SEM)31
• 2.3.4 熱失重-差熱分析(TGA-DSC)31
• 2.3.5 電化學阻抗譜(EIS)31-32
• 2.3.6 線性伏安測試(LSV)32-33
• 2.3.7 階躍式光致瞬態(tài)光電流和光電壓譜(SLIM-PCV)33
• 2.3.8 莫特-肖特基(Mott-Schottky)曲線測試33-34
• 3 吡啶基功能化季銨鹽的合成及其在DSCs電解質(zhì)中的應用34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 實驗部分34-37
• 3.2.1 吡啶基季銨鹽的合成及結(jié)構(gòu)表征34-35
• 3.2.2 器件制備35-37
• 3.3 結(jié)果與討論37-46
• 3.3.1 熱穩(wěn)定性分析37
• 3.3.2 添加量的優(yōu)化37-38
• 3.3.3 取代基結(jié)構(gòu)的影響38-42
• 3.3.4 作用機理研究42-46
• 3.3.5 電池耐久性研究46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 4 吡啶基功能化離子液體的合成及其在PSCs空穴傳輸劑中的應用48-65
• 4.1 引言48
• 4.2 實驗部分48-58
• 4.2.1 全固態(tài)PSCs的制備48-51
• 4.2.2 PSCs器件制備條件優(yōu)化51-56
• 4.2.3 吡啶基功能化離子液體的合成及表征56-57
• 4.2.4 全固態(tài)電解質(zhì)的配制57-58
• 4.3 結(jié)果與討論58-64
• 4.3.1 熱穩(wěn)定性測試58
• 4.3.2 器件結(jié)構(gòu)表征58-60
• 4.3.3 光電性能表征60-62
• 4.3.4 摻雜機理研究62-64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 結(jié)論65-66
• 參考文獻66-72
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況72-74
• 致謝74-75

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