柔性染料敏化太陽能電池光陽極的制備

【摘要】：柔性染料敏化太陽能電池光陽極材料的選取對電池的光伏性能有很大影響。寬禁帶半導(dǎo)體材料TiO2納米晶光陽極薄膜由于其具有較大的表面積可以吸附大量染料，但在低溫條件下制備會導(dǎo)致納米顆粒的粘結(jié)性較差，影響電池的光電性能。一維TiO2納米管具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性及光電特性，是一種非常優(yōu)異的電荷分離和傳輸載體，將其應(yīng)用于太陽能電池光陽極材料中有望提高電池的光電性能，在TiO2納米管基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和完善可以進(jìn)一步優(yōu)化其性能?；谶@一研究現(xiàn)狀，本文制備TiO2納米晶薄膜和TiO2納米管薄膜柔性光陽極，分別對不同形貌的TiO2納米材料在太陽能電池器件方面的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討。 1、采用球磨法制備TiO2納米晶漿料，通過加入氧化石墨烯來提高漿料的粘性。在不同的氧化石墨烯含量中，氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)1wt%的光陽極獲得最高的光電轉(zhuǎn)換效率1.12%。隨著漿料中氧化石墨烯含量的增加，光陽極薄膜對染料的吸附量增加，電池的光電效率提高；同時氧化石墨烯含量過高時會影響染料對光的吸收作用，阻礙光陽極膜內(nèi)的電子傳輸通道，造成電池效率降低。 2、采用兩步電化學(xué)陽極氧化法，在Ti箔表面制備出排列有序的自支撐圓柱形TiO2納米管陣列薄膜，通過控制氧化時間來控制納米管的長度，將其應(yīng)用于柔性染料敏化太陽能電池光陽極中，有利于其組裝的電池采用光線由正面入射的方式，避免背光入射模式下造成的入射光損失。當(dāng)納米管長度為20μm時電池的短路電流密度(Jsc)為7.35mA/cm2，開路電壓(Voc)為668mV，填充因子(FF)為0.680，光電轉(zhuǎn)換效率(η)為3.44%。相對于長度為30μm的納米管薄膜組裝成的電池來說，短路電流密度提高7.6%，其光電轉(zhuǎn)換效率提高11.7%。這是由于隨著納米管長度的增加，光陽極對染料的吸附量增加，進(jìn)而光電轉(zhuǎn)換效率增大；當(dāng)納米管長度過長時管內(nèi)外會存在較多的缺陷形成電子-空穴的復(fù)合中心，增大電子空穴的復(fù)合幾率，進(jìn)而影響電池的光伏性能。 3、通過在陽極氧化過程中調(diào)節(jié)氧化電壓，制備出具有特殊圓錐形貌的自支撐TiO2納米管陣列薄膜。通過XRD、SEM、UV-Vis等測試手段對制備的圓錐形納米管進(jìn)行結(jié)構(gòu)，形貌及吸光性能的表征。長度為14μm的圓錐形納米管光電轉(zhuǎn)換效率(η)為3.78%，相比于同長度的圓柱形納米管，其光電轉(zhuǎn)換效率提高28.6%。圓錐形納米管相對于圓柱形納米管有更強的光捕獲能力和優(yōu)異的光電性能，這主要得益于特殊的圓錐形貌。 【關(guān)鍵詞】：柔性染料敏化太陽能電池 陽極氧化 TiO2納米管 圓錐形
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 太陽能電池的分類和發(fā)展10-12
• 1.2.1 硅基太陽能電池10-11
• 1.2.2 多元化合物薄膜太陽能電池11
• 1.2.3 有機太陽能電池11-12
• 1.2.4 染料敏化太陽能電池12
• 1.3 染料敏化太陽能電池12-15
• 1.3.1 染料敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理12-13
• 1.3.2 染料敏化太陽能電池光陽極材料及其特點13-15
• 1.4 柔性染料敏化太陽能電池光陽極的研究進(jìn)展15-22
• 1.4.1 柔性染料敏化太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域15-17
• 1.4.2 柔性染料敏化太陽能電池面臨的挑戰(zhàn)17-18
• 1.4.3 柔性染料敏化太陽能電池光陽極的研究現(xiàn)狀18-22
• 1.5 論文研究的科學(xué)意義及研究的主要內(nèi)容22-24
• 第2章 TiO_2納米材料光陽極的制備及其結(jié)構(gòu)與性能表征方法24-34
• 2.1 主要實驗藥品與儀器24-25
• 2.2 氧化石墨烯/TiO_2納米晶柔性光陽極的制備25-26
• 2.2.1 氧化石墨烯/TiO_2漿料的制備25
• 2.2.2 氧化石墨烯/TiO_2光陽極的制備25-26
• 2.3 自支撐的 TiO_2納米管陣列薄膜的制備過程26-29
• 2.3.1 鈦片預(yù)處理26
• 2.3.2 實驗方案26-29
• 2.3.3 柔性光陽極的制備29
• 2.4 柔性染料敏化太陽能電池的制備及組裝29-31
• 2.4.1 染料敏化29-30
• 2.4.2 對電極的制備30
• 2.4.3 染料敏化太陽能電池的組裝30-31
• 2.5 柔性染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)與性能表征方法31-34
• 2.5.1 結(jié)構(gòu)表征方法31-32
• 2.5.2 柔性光陽極材料的 UV-Vis 光譜分析32
• 2.5.3 染料敏化太陽能電池的光伏性能測試方法32-33
• 2.5.4 染料敏化太陽能電池電化學(xué)性能測試方法33-34
• 第3章 氧化石墨烯/TiO_2納米晶柔性光陽極34-41
• 3.1 引言34-35
• 3.2 氧化石墨烯/TiO_2納米晶薄膜的表征分析35-40
• 3.2.1 氧化石墨烯/TiO_2納米晶薄膜的結(jié)構(gòu)及形貌分析35-36
• 3.2.2 氧化石墨烯/TiO_2復(fù)合物的 UV-Vis 光譜分析36-38
• 3.2.3 氧化石墨烯/TiO_2光陽極膜的 J-V 分析38-40
• 3.3 本章小結(jié)40-41
• 第4章 圓柱形 TiO_2納米管薄膜柔性光陽極41-53
• 4.1 引言41
• 4.2 圓柱形 TiO_2納米管陣列的表征分析41-45
• 4.2.1 圓柱形 TiO_2納米管陣列的制備及結(jié)構(gòu)形貌分析41-44
• 4.2.2 圓柱形 TiO_2納米管陣列的 UV-Vis 光譜分析44-45
• 4.3 圓柱形 TiO_2納米管陣列薄膜在柔性染料敏化太陽能電池中的研究45-50
• 4.3.1 柔性染料敏化太陽能電池 IPCE 性能分析45-46
• 4.3.2 柔性染料敏化太陽能電池 J-V 性能分析46-48
• 4.3.3 柔性染料敏化太陽能電池 EIS 分析48-50
• 4.4 圓柱形 TiO_2納米管陣列薄膜太陽能電池的機理研究50-52
• 4.5 本章小結(jié)52-53
• 第5章 圓錐形 TiO_2納米管薄膜柔性光陽極53-64
• 5.1 引言53
• 5.2 圓錐形 TiO2納米管陣列的制備及結(jié)構(gòu)形貌分析53-56
• 5.3 圓錐形 TiO_2納米管陣列在柔性染料敏化太陽能電池中的研究56-62
• 5.3.1 圓錐形納米管染料敏化太陽能電池 J-V 性能分析56-58
• 5.3.2 圓錐形納米管染料敏化太陽能電池 UV-Vis 性能分析58-59
• 5.3.3 圓錐形納米管染料敏化太陽能電池 IPCE 性能分析59-60
• 5.3.4 圓錐形納米管染料敏化太陽能電池 EIS 性能分析60-62
• 5.4 圓錐形 TiO2納米管陣列薄膜吸光機理的研究62
• 5.5 本章小結(jié)62-64
• 第6章 結(jié)論64-66
• 參考文獻(xiàn)66-73
• 碩士期間發(fā)表論文情況73-75
• 致謝75

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