碳材料制備太陽(yáng)能電池對(duì)電極的研究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池（簡(jiǎn)稱DSSC）是一種新型的太陽(yáng)能電池。自從1991問(wèn)世以來(lái)，就因?yàn)槠渲谱鞴に嚭?jiǎn)單、成本低和性能穩(wěn)定，并且對(duì)環(huán)境良性等優(yōu)點(diǎn)而受到了眾多研究工作者的極大興趣，具有很好應(yīng)用前景，在太陽(yáng)能電池研究上具有重要意義。它是一個(gè)多組分復(fù)合體系，主要由三部分組成，分別是光陽(yáng)極（包括TiO2多孔薄膜以及吸附在其上的染料）、電解質(zhì)和對(duì)電極。納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)就在于其廉價(jià)并具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，而傳統(tǒng)的納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池的對(duì)電極材料為貴金屬鉑，所以為了進(jìn)一步降低電池成本，人們希望找到一種高效、廉價(jià)的替換材料。 本文通過(guò)采用絲網(wǎng)印刷和電沉積方法利用活性碳、碳黑、石墨、富勒烯（C60）來(lái)制備染料敏化太陽(yáng)能電池碳對(duì)電極。絲網(wǎng)印刷方法是一種比較成熟的制備工藝。電沉積方法:用丙酮10ml、無(wú)水乙醇15ml、硝酸鋁1g、聚乙二醇15ml混合溶液中，加入0.5g碳粉，在外電壓28V,水浴溫度65℃時(shí)得到的碳薄膜對(duì)電極制備太陽(yáng)能電池。用掃描電鏡對(duì)碳薄膜的表觀形貌進(jìn)行了表征，并通過(guò)電池的短路電流(Isc)、開(kāi)路電壓(Voc)和填充因子（ff）等指標(biāo)來(lái)檢驗(yàn)以此對(duì)電極組裝的太陽(yáng)能電池的性能。 研究表明，在電沉積方法制備碳對(duì)電極時(shí)，分散劑聚乙二醇的用量和電沉積的水浴溫度對(duì)電池的性能都有很大影響，在分散劑聚乙二醇的用量為15ml和水浴溫度為65℃的情況下，碳薄膜的光電性能較好，Isc，Voc和ff分別為8.141mA，756mV和0.4692；碳薄膜厚度和薄膜的熱處理溫度對(duì)電池的性能都有很大影響，在薄膜厚度為27nm和熱處理溫度為400℃的情況下，碳薄膜的光電性能較好，Isc，Voc和ff分別為7.77mA，748mV和0.5467。電沉積方法制備碳膜的最大優(yōu)點(diǎn)是碳膜在玻璃基片上有良好的附著力，這是絲網(wǎng)印刷技術(shù)無(wú)法比擬的,因此用電沉積制備碳對(duì)電極將會(huì)有很大的發(fā)展前景。在大量的實(shí)驗(yàn)中得出，活性碳是一種多孔性結(jié)構(gòu)，具有很好的催化活性，可增加電極與電解質(zhì)的有效接觸面積，提高電極的電化學(xué)活性，是制備太陽(yáng)能電池對(duì)電極的首選材料；富勒烯C60是一種新型碳材料，它是三維結(jié)構(gòu)，C60光激發(fā)后易形成電子空穴對(duì)從而產(chǎn)生光電子轉(zhuǎn)移，且具有良好的電子運(yùn)輸性能和電子親和力，與堿金屬原子結(jié)合能做超導(dǎo)材料，做太陽(yáng)能電池對(duì)電極材料具有很廣闊的前景。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 電沉積 富勒烯（C60） 活性碳 石墨 碳黑
【學(xué)位授予單位】：大連工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目錄7-10
• 第一章 引言10-12
• 第二章 文獻(xiàn)綜述12-24
• 2.1 染料敏化太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介12-13
• 2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及其原理13-14
• 2.2.1 染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)13-14
• 2.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的原理14
• 2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池中描述光電性能的重要參數(shù)14-16
• 2.4 染料敏化太陽(yáng)能電池各組分對(duì)電池性能的影響16-18
• 2.4.1 光陽(yáng)極16
• 2.4.2 敏化染料16-17
• 2.4.3 電解質(zhì)17
• 2.4.4 對(duì)電極17-18
• 2.5 染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極介紹18-21
• 2.5.1 鉑對(duì)電極18
• 2.5.2 鎳對(duì)電極18-19
• 2.5.3 聚合物對(duì)電極19
• 2.5.4 氧化銅對(duì)電極19-20
• 2.5.5 碳對(duì)電極20-21
• 2.5.5.1 傳統(tǒng)碳材料對(duì)電極20-21
• 2.5.5.2 新型碳材料對(duì)電極21
• 2.6 新型對(duì)電極21-22
• 2.7 DSSC 電池主要問(wèn)題與發(fā)展22-23
• 2.8 本文的研究特色和創(chuàng)新之處23-24
• 第三章 實(shí)驗(yàn)24-33
• 3.1 實(shí)驗(yàn)藥品及設(shè)備24-25
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品24-25
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備25
• 3.2 導(dǎo)電玻璃基片清洗25-26
• 3.3 光陽(yáng)極 TiO_2薄膜的制備26-27
• 3.3.1 致密 TiO_2薄膜的制備26
• 3.3.2 TiO_2薄膜制備工藝26-27
• 3.4 染料配制與吸附27
• 3.5 電解質(zhì)的制備27
• 3.6 碳薄膜的制備27-32
• 3.6.1 電沉積方法制備碳薄膜28-30
• 3.6.2 絲網(wǎng)印刷方法制備碳對(duì)電極30-32
• 3.7 染料敏化太陽(yáng)能電池的組裝32
• 3.8 分析測(cè)試方法32-33
• 3.8.1 碳粉物相分析32
• 3.8.2 碳膜的微觀形貌32
• 3.8.3 碳薄膜方塊電阻的測(cè)定32
• 3.8.4 碳薄膜厚度的測(cè)定32
• 3.8.5 DSSC 的性能測(cè)定32-33
• 第四章 結(jié)果與討論33-56
• 4.1 活性碳電沉積方法制備對(duì)電極的具體工藝33-48
• 4.1.1 碳材料的物相分析33-36
• 4.1.1.1 活性碳的物相分析33-34
• 4.1.1.2 石墨的物相分析34-35
• 4.1.1.3 碳黑的物相分析35-36
• 4.1.2 碳薄膜的 SEM 表面形貌測(cè)試圖36-42
• 4.1.2.1 電沉積方法碳薄膜的表面形貌36-41
• 4.1.2.2 絲網(wǎng)印刷方法制備的碳膜形貌分析41-42
• 4.1.3 分散劑聚乙二醇 400 對(duì)活性碳對(duì)電極太陽(yáng)能電池性能的影響42-43
• 4.1.4 電沉積時(shí)水浴溫度對(duì)活性碳對(duì)電極電池性能的影響43-45
• 4.1.5 薄膜厚度對(duì)電池性能的影響45
• 4.1.6 活性碳碳薄膜熱處理溫度對(duì)電池性能的影響45-48
• 4.2 石墨、碳黑、富勒烯（C60）電沉積方法制備太陽(yáng)能電池對(duì)電極的性能分析 ..48-50
• 4.2.1 碳薄膜的厚度對(duì)電池性能的影響48-49
• 4.2.2 方塊電阻對(duì)電池性能的影響49-50
• 4.3 太陽(yáng)能電池對(duì)電極制備方法的選擇和碳材料的選擇50-56
• 4.3.1 太陽(yáng)能電池對(duì)電極制備方法的選擇50-53
• 4.3.2 太陽(yáng)能電池對(duì)電極碳材料的選擇53-56
• 第五章 結(jié)論56-57
• 參考文獻(xiàn)57-63
• 致謝63-64
• 附錄 A 作者攻讀碩士期間發(fā)表的論文及成果64

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