染料敏化太陽能電池雙層復合薄膜光陽極的制備與性能研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cells, DSSCs)是一種新型的電化學太陽能電池,因其具有低成本、高效率、質(zhì)量輕、制備過程簡單、環(huán)境無污染等諸多優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。納米晶Ti02薄膜電極是DSSCs的一個重要組成部分,光捕獲效率,電子的傳輸和收集,不希望的暗電流等都和Ti02光陽極有著密切的關(guān)系。在本論文中,我們主要圍繞著提高Ti02光電極的比表面,增強光電極的光捕獲效率,促進電子的傳輸和轉(zhuǎn)移和降低不希望的暗電流,合成了Ti02納米棒陣列,海綿狀TiO2, TiO2空心球,Ti02納米片。通過它們組建了三種不同構(gòu)型的Ti02雙層復合薄膜電極,并研究了它們在DSSCs中的應(yīng)用。主要內(nèi)容及結(jié)論如下： (1)以Ti02納米棒陣列薄膜(TiO2nanorod arrays, TiO2-RA)為下層,以Ti02空心球(TiO2hollow spheres, TiO2-HS)為上層,成功制備了TiO2-RA/TiO2-HS雙層復合薄膜電極。研究了TiO2-RA電極,TiO2-HS電極和TiO2-RA/TiO2-HS雙層復合薄膜電極的光電性能,它們的光電轉(zhuǎn)換效率分別為0.99%,3.93%和4.57%。TiO2-RA/TiO2-HS雙層電極提高光電轉(zhuǎn)換效率的原因可以歸結(jié)為兩種不同Ti02形貌的協(xié)同作用,即:TiO2-HS上層薄膜可以有效的吸附染料分子；TiO2-RA下層薄膜增強了光陽極的光吸收強度,促進了電子的傳輸,同時減小了暗電流。 (2)通過水熱法制備了分等級海綿狀大孔/介孔二氧化鈦(hierarchically sponge-like macro-/mesoporous TiO2),所制備的HSMM-TiO2樣品不僅具有快速的電子傳輸和電解質(zhì)擴散性能,而且表現(xiàn)出強烈的光散射能力,是很好的DSSCs光陽極材料。為了改善HSMM-TiO2薄膜電極與FTO導電玻璃表面的接觸性能,我們提出在HSMM-TiO2薄膜與FTO導電玻璃之間引入了一層由Ti02納米小顆粒(P25)構(gòu)成的薄膜。所設(shè)計的HSMM-TiO2/P25雙層薄膜電極獲得了更高的光電效率(5.48%),相比于P25電極的3.62%提高了51.4%；相比于HSMM-TiO2電極的4.31%提高了27.1%。 (3)以二氧化鈦納米片(TiO2nanosheets, TiO2-NS)和二氧化鈦空心球(TiO2-HS)為材料,設(shè)計出TiO2-NS/TiO2-HS雙散射薄膜電極。通過BET比表面積和紫外-可見漫反射光譜測試發(fā)現(xiàn),TiO2-NS/TiO2-HS雙散射薄膜電極具有很大的比表面積和加強的光散射能力。此外,TiO2-HS底層可以改善電極與FTO導電玻璃的電接觸性能。因此,TiO2-NS/TiO2-HS電極最終得到了較高的效率5.08%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 雙層復合薄膜 比表面 光散射 電子傳輸
【學位授予單位】：湖北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-31
• 1.1 前言11
• 1.2 太陽能電池的類別11-17
• 1.2.1 硅基太陽能電池11-12
• 1.2.2 無機化合物半導體太陽能電池12-13
• 1.2.3 有機/聚合物太陽能電池13-14
• 1.2.4 染料敏化納米晶太陽能電池14-17
• 1.3 染料敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu),工作原理及性能參數(shù)17-23
• 1.3.1 DSSCs的基本結(jié)構(gòu)17-18
• 1.3.2 DSSCs的工作原理18-19
• 1.3.3 染料敏化太陽能電池的性能參數(shù)19-23
• 1.3.3.1 單色光光電轉(zhuǎn)換效率20-21
• 1.3.3.2 短路電流密度21
• 1.3.3.3 開路電壓21
• 1.3.3.4 填充因子21-22
• 1.3.3.5 DSSCs總的光電轉(zhuǎn)化效率22
• 1.3.3.6 光電流密度-光電壓曲線22-23
• 1.4 染料敏化太陽能電池半導體薄膜光陽極的研究進展23-30
• 1.4.1 薄膜光陽極的制備方法23-26
• 1.4.1.1 絲網(wǎng)印刷法23-24
• 1.4.1.2 刮涂法24-25
• 1.4.1.3 磁控濺射法25
• 1.4.1.4 電化學法25-26
• 1.4.2 染料敏化太陽能電池TiO_2膜電極的改性26-30
• 1.4.2.1 納米TiO_2薄膜電極的表面修飾26-27
• 1.4.2.2 離子摻雜27-28
• 1.4.2.3 納米TiO_2薄膜電極的形貌設(shè)計28-29
• 1.4.2.4 納米TiO_2復合薄膜電極29-30
• 1.5 本論文的研究目的和研究內(nèi)容30-31
• 第二章 TiO_2納米棒陣列/TiO_2空心球雙層薄膜電極的制備及其在DSSCs中應(yīng)用31-45
• 2.1 引言31-32
• 2.2 實驗部分32-35
• 2.2.1 水熱法制備TiO_2納米棒陣列薄膜32
• 2.2.2 TiO_2空心球粉末的制備32
• 2.2.3 TiO_2納米棒陣列/TiO_2空心球雙層復合膜電極的制備32-33
• 2.2.4 樣品的表征33-34
• 2.2.5 電池的組裝及性能測試34-35
• 2.2.5.1 電池的組裝34-35
• 2.2.5.2 染料敏化太陽能電池光電性能測試35
• 2.3 結(jié)果與討論35-43
• 2.3.1 相結(jié)構(gòu)與形貌35-39
• 2.3.2 TiO_2薄膜電極的吸收譜分析39-40
• 2.3.3 三種TiO_2薄膜電極光電性能的比較40-42
• 2.3.4 三種薄膜電極的交流阻抗分析42-43
• 2.4 本章小結(jié)43-45
• 第三章 分等級海綿狀大孔/孔TiO_2的制備及其在DSSCs中應(yīng)用45-57
• 3.1 引言45-46
• 3.2 實驗部分46-47
• 3.2.1 HSMM-TiO_2的制備46
• 3.2.2 三種不同TiO_2薄膜電極的制備46-47
• 3.2.3 樣品的表征47
• 3.2.4 電池的組裝及性能測試47
• 3.3 結(jié)果與討論47-56
• 3.3.1 樣品的相結(jié)構(gòu)與形貌47-50
• 3.3.2 樣品BET比表面與孔分布研究50-51
• 3.3.3 三種薄膜電極的漫反射光譜分析51-52
• 3.3.4 三種薄膜電極的光電性能分析52-54
• 3.3.5 三種電極的EIS測試分析54-56
• 3.4 本章小結(jié)56-57
• 第四章 TiO_2納米片/TiO_2空心球雙散射薄膜電極的制備及其在DSSCs中的應(yīng)用57-66
• 4.1 引言57-58
• 4.2 實驗部分58-59
• 4.2.1 TiO_2空心球粉末的制備58
• 4.2.2 二氧化鈦納米片的制備58
• 4.2.3 三種TiO_2薄膜電極的制備58
• 4.2.4 樣品的表征58
• 4.2.5 電池的組裝及性能測試58-59
• 4.3 結(jié)果與討論59-65
• 4.3.1 樣品的形貌與相結(jié)構(gòu)59-61
• 4.3.2 Ti02納米片和TiCb空心球的BET比表面與孔分布研究61-62
• 4.3.3 三種薄膜電極的漫反射光譜分析62-64
• 4.3.4 三種薄膜電極的光電性能分析64-65
• 4.4 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論66-67
• 參考文獻67-80
• 附錄：攻讀碩士期間的研究成果80-81
• 致謝81

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