基于乙烯基吡啶的染料敏化太陽能電池凝膠電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能研究及TiO_2電極的制備

【摘要】：眾所周知,液體電解質(zhì)組裝的染料敏化太陽能電池(DSSC)具有易揮發(fā)、難封裝、壽命短等缺點(diǎn),而態(tài)凝膠電解質(zhì),又稱準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)可以有效改善液體電解質(zhì)存在的以上問題。本論文主要研究了基于乙烯基吡啶的兩種聚合物凝膠電解質(zhì),并結(jié)合自制的Ti02電極和Pt電極,組裝成DSSC,對(duì)電解質(zhì)和電池的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了一系列研究。 論文第一部分分別采用絲網(wǎng)印刷法和滴涂法制備了性能優(yōu)良的納米晶Ti02薄膜電極和鉑電極。首先以納米TiO2粉末(商品P25等)為主要原料制備絲網(wǎng)印刷用漿料,采用不同的漿料制備納米晶Ti02電極；通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察電極結(jié)構(gòu)形貌,同時(shí)測試電池的光電性能。然后優(yōu)化其配方,同時(shí)涂有6層P25Ti02和兩層光散射層的電極(其Ti02層厚度約為13μm),具有較高的光電轉(zhuǎn)換性能。進(jìn)一步采用一系列不同的電極和電解質(zhì)組裝成DSSC,測試其光電轉(zhuǎn)換效率,發(fā)現(xiàn)自制的Ti02電極與購買的Ti02電極性能相當(dāng),自制的Pt電極優(yōu)于購買的Pt電極。說明本論文成功制備了高質(zhì)量的Ti02電極和Pt電極,可應(yīng)用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。 論文第二部分制備了新型聚(4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸甲酯)/聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)/碘化鋰/碘/3-甲氧基丙腈(P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)/LiI/I2/MPN)體系的聚合物凝膠電解質(zhì),并用其組裝了DSSC。系統(tǒng)研究了4-乙烯基吡啶和甲基丙烯酸甲酯的配比、P(4-VP-MMA)與P(VDF-HFP)的配比對(duì)形成穩(wěn)定凝膠電解質(zhì)的影響。性能最優(yōu)的凝膠電解質(zhì)的聚合物的組成是：4-VP:MMA:P(VDF-HFP)=3:7:7(質(zhì)量比)。用其組裝的電池的開路電壓Voc為0.72V,短路電流密度JSC為6.03mA.cm-2,填充因子FF為0.52,光電轉(zhuǎn)換效率77為2.3%。熱失重研究表明,凝膠電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性優(yōu)于液體電解質(zhì)。為了研究凝膠電解質(zhì)的結(jié)構(gòu),本論文針對(duì)不同固含量的凝膠電解質(zhì)進(jìn)行SEM表征,觀察凝膠電解質(zhì)中聚合物骨架形貌。結(jié)果表明,凝膠電解質(zhì)的固含量越低,孔隙(即溶劑通道)越多,用其組裝的DSSC性能越好。針對(duì)染料分子的IPCE研究表明,染料分子和電極的結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響液體及凝膠電解質(zhì)DSSC的光吸收效率以及電荷的捕獲和收集效率。 論文第三部分制備了聚(4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸羥乙酯)/碘化鋰/碘/γ-丁內(nèi)酯(P(4-VP-HEMA)/LiI/I2/GBL)凝膠電解質(zhì),并組裝DSSC,進(jìn)一步研究了可形成氫鍵的聚合物對(duì)凝膠電解質(zhì)性能的影響。凝膠電解質(zhì)的聚合物骨架結(jié)構(gòu)與第二部分的SEM表征結(jié)果一致,凝膠電解質(zhì)的固含量越低,孔隙越多,用其組裝的DSSC'性能越好。通過調(diào)整4-VP與HEMA的配比,得到性能最優(yōu)的凝膠電解質(zhì)的聚合物的組成是：4-VP:HEMA=1:3(質(zhì)量比)。 同時(shí),為了清楚的表征添加劑對(duì)聚合物凝膠電解質(zhì)性能的影響,本論文研究了添加劑4-叔丁基吡啶(TBP)、4-乙烯基吡啶(4-VP)和吡啶(PY)對(duì)電解質(zhì)及其DSSC'性能的影響。結(jié)果表明,添加劑對(duì)凝膠電解質(zhì)與液體電解質(zhì)兩種體系的影響規(guī)律相同：TBP、PY能夠增加電池的開路電壓和短路電流,提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率；而4-VP降低了電池的開路電壓、短路電流以及光電轉(zhuǎn)換效率。在此基礎(chǔ)上,本論文推斷了4-VP與電池氧化還原對(duì)I-/I3-的作用機(jī)理。 此外,本論文在P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)和P(4-VP-HEMA)兩個(gè)聚合物凝膠電解質(zhì)體系中,采用1HNMR、IR、TGA、IPCE等技術(shù)分別對(duì)分子結(jié)構(gòu)和性能、凝膠電解質(zhì)的溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系曲線、電解質(zhì)中染料的光敏性等進(jìn)行了研究。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 乙烯基吡啶 甲基丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸羥乙酯 聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯) 添加劑 絲網(wǎng)印刷 TiO_2電極 Pt電極
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4;O646
【目錄】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 前言12-21
• 1.1 太陽能電池的概述12
• 1.2 染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)、原理及參數(shù)12-15
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)12-13
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池的工作原理13-14
• 1.2.3 染料敏化太陽能電池的性能參數(shù)14-15
• 1.3 染料敏化太陽能電池電解質(zhì)15-18
• 1.3.1 液體電解質(zhì)15-16
• 1.3.2 凝膠電解質(zhì)16-18
• 1.3.2.1 離子液體類凝膠電解質(zhì)16-17
• 1.3.2.2 聚合物型凝膠電解質(zhì)17-18
• 1.3.3 固體電解質(zhì)18
• 1.4 染料敏化太陽能電池的應(yīng)用18-19
• 1.5 選題的目的和意義19
• 1.6 本論文主要研究內(nèi)容19-20
• 1.7 本論文創(chuàng)新點(diǎn)20-21
• 第二章 絲網(wǎng)印刷法制備TiO_2納米多孔薄膜電極和滴涂法制備鉑電極及性能研究21-33
• 2.1 引言21
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分21-24
• 2.2.1 測試儀器21
• 2.2.2 主要試劑及設(shè)備21-22
• 2.2.3 絲網(wǎng)印刷法制備TiO_2電極22-24
• 2.2.3.1 FTO導(dǎo)電玻璃的清洗22-23
• 2.2.3.2 絲網(wǎng)印刷所用TiO_2漿料的制備23
• 2.2.3.3 絲網(wǎng)印刷定位方法和涂布方法23-24
• 2.2.3.4 TiO_2電極的燒結(jié)處理24
• 2.2.4 滴涂法制備Pt電極24
• 2.3 結(jié)果與討論24-32
• 2.3.1 TiO_2電極的SEM表征24-26
• 2.3.2 電極對(duì)電池性能的影響26-32
• 2.3.2.1 光散射層對(duì)電池性能的影響26-29
• 2.3.2.2 電解液對(duì)電極及電池性能的影響29-32
• 2.4 本章小結(jié)32-33
• 第三章 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)/LiI/I_2/MPN聚合物凝膠電解質(zhì)DSSC的制備及性能研究33-53
• 3.1 引言33
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分33-37
• 3.2.1 主要原料與試劑33-34
• 3.2.2 測試儀器34-35
• 3.2.3 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)的合成35-36
• 3.2.4 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)/LiI/I2/MNP凝膠電解質(zhì)的制備36-37
• 3.2.5 染料敏化太陽能電池的組裝37
• 3.3 結(jié)果與討論37-51
• 3.3.1 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)的表征及性能考察37-46
• 3.3.1.1 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)的1H NMR表征37-38
• 3.3.1.2 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)的IR表征38-41
• 3.3.1.3 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)的TGA表征41-43
• 3.3.1.4 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)的GPC表征43-44
• 3.3.1.5 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)的SEM表征44-46
• 3.3.2 P(4-VP-MMA)/P(VDF-HFP)/LiI/I_2/MNP的電性能測試46
• 3.3.3 染料敏化太陽能電池的性能測試46-51
• 3.3.3.1 P(4-VP-MMA)組成對(duì)電池性能的影響47-48
• 3.3.3.2 聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)含量對(duì)電池的影響48-50
• 3.3.3.3 DSSC的IPCE測試50-51
• 3.4 本章小結(jié)51-53
• 第四章 P(4-VP-HEMA)/LiI/I_2/GBL聚合物凝膠電解質(zhì)DSSC的制備及性能研究53-72
• 4.1 引言53
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分53-54
• 4.2.1 主要原料及試劑53
• 4.2.2 測試儀器53
• 4.2.3 P(4-VP-HEMA)的合成53-54
• 4.2.4 DSSC凝膠電解質(zhì)的制備54
• 4.2.5 染料敏化太陽能電池的組裝54
• 4.3 結(jié)果與討論54-70
• 4.3.1 P(4-VP-HEMA)的表征及性能考察54-62
• 4.3.1.1 P(4-VP-HEMA)的1H NMR表征54-55
• 4.3.1.2 P(4-VP-HEMA)的IR表征55-57
• 4.3.1.3 P(4-VP-HEMA)的GPC表征57-59
• 4.3.1.4 P(4-VP-HEMA)的TGA的表征59-60
• 4.3.1.5 P(4-VP-HEMA)的SEM表征60-62
• 4.3.2 染料敏化太陽能電池的性能測試62-69
• 4.3.2.1 凝膠電解質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律62-63
• 4.3.2.2 MPN液體電解質(zhì)體系中吡啶類衍生物對(duì)電解質(zhì)及其電池性能的影響63-64
• 4.3.2.3 GBL液體電解質(zhì)體系中吡啶類衍生物對(duì)電解質(zhì)及其電池性能的影響64-66
• 4.3.2.4 GBL凝膠電解質(zhì)體系中吡啶類衍生物對(duì)電解質(zhì)及其電池性能的影響66-67
• 4.3.2.5 添加劑對(duì)電池性能影響的初步探索67-69
• 4.3.3 DSSC的交流阻抗(EIS)測試69-70
• 4.3.3.1 GBL液體和凝膠電解質(zhì)體系的EIS測試69-70
• 4.3.3.2 不同添加劑在GBL凝膠電解質(zhì)體系的EIS測試70
• 4.4 本章小結(jié)70-72
• 全文總結(jié)72-74
• 參考文獻(xiàn)74-84
• 科研成果84-85
• 致謝85

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