三維微結(jié)構(gòu)襯底的設(shè)計(jì)、制備及在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye Sensitized Solar Cell,DSSC)由于其制備工藝的簡(jiǎn)便性、成本低廉等優(yōu)勢(shì),獲得了廣泛的關(guān)注。然而,染料敏化太陽(yáng)能電池在光的捕獲和載流子輸運(yùn)等方面尚有很大的提升幅度,這使得電池的效率遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理論效率。本論文針對(duì)提高電池的光捕獲和載流子輸運(yùn)性能提出了新型的三維微結(jié)構(gòu)襯底設(shè)計(jì)方案,主要研究分為以下兩個(gè)方面： (1)設(shè)計(jì)了新型尖劈微結(jié)構(gòu)襯底以提高電池的光捕獲性能 基于實(shí)驗(yàn)室一種新型管道腐蝕光纖陣列制備尖劈微結(jié)構(gòu)的方法,引入熱壓、溶膠凝膠水解縮合工藝復(fù)制尖劈微結(jié)構(gòu),得到高度、最近距離可調(diào)的尖劈微結(jié)構(gòu)玻璃襯底。相較于平板型襯底,所得到的尖劈微結(jié)構(gòu)襯底由于其特有的漸錐形結(jié)構(gòu),能起到對(duì)入射光傳播方向的調(diào)制作用,對(duì)入射光進(jìn)行多次反射與折射,提高了增加了入射光在電池活性介質(zhì)中的光程,最終提升電池的光捕獲性能；同時(shí),此方法成本低廉,可選擇不同尺度、結(jié)構(gòu)的原始模板制備不同用途的圖案化玻璃襯底。 (2)在電池中引入圖案化襯底以提高載流子的收集性能 實(shí)驗(yàn)研究了圖案化襯底引入染料敏化電池后對(duì)電池性能的影響。通過(guò)濺射、光刻、濕法刻蝕等工藝,制備得到了周期、高度可調(diào)的圖案化襯底。制得的圖案化襯底的周期與電池中載流子的擴(kuò)散自由程相匹配；圖案化襯底的高度與電池的涂覆厚度相匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,引入圖案化襯底之后,載流子的濃度梯度從二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S,載流子在擴(kuò)散自由程之內(nèi)可以被探針微結(jié)構(gòu)導(dǎo)入外電路中,電池的量子效率和短路電流密度相比于平板型襯底電池得到提升。圖案化襯底的引入與現(xiàn)階段電池中的主要改進(jìn)手段完全不沖突,本論文提供了一種不引入其它材料和介質(zhì)的電池性能提升方法。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 尖劈陣列 溶膠凝膠 熱壓 圖案化襯底 光捕獲 載流子收集
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目錄8-10
• 第一章 前言10-17
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 問(wèn)題的提出11-13
• 1.3 本文的工作13-15
• 參考文獻(xiàn)15-17
• 第二章 染料敏化電池中提高光子與載流子收集效率的研究現(xiàn)狀17-32
• 2.1 染料敏化電池結(jié)構(gòu)與原理17-20
• 2.2 電池中提升光吸收與電子收集性能方法20-26
• 2.2.1 提升光吸收方法研究現(xiàn)狀20-22
• 2.2.2 提升載流子收集性能研究現(xiàn)狀22-23
• 2.2.3 微結(jié)構(gòu)提升電池性能研究現(xiàn)狀23-26
• 參考文獻(xiàn)26-32
• 第三章 實(shí)驗(yàn)與表征方法32-44
• 3.1 襯底準(zhǔn)備32-34
• 3.1.1 清洗32-33
• 3.1.2 對(duì)電極制孔33-34
• 3.2 電池制備34-39
• 3.2.1 TiO_2光陽(yáng)極制備35-37
• 3.2.2 染料吸附37
• 3.2.3 對(duì)電極濺射金屬鉑37-38
• 3.2.4 電解液吸附與電池封裝38-39
• 3.3 電池性能表征39-43
• 3.3.1 電池厚度測(cè)量39-40
• 3.3.2 吸收、透射譜測(cè)量40-41
• 3.3.3 電池J-V曲線的測(cè)量41-42
• 3.3.4 電池量子效率的測(cè)量42-43
• 參考文獻(xiàn)43-44
• 第四章 新型尖劈微結(jié)構(gòu)襯底的設(shè)計(jì)、制備與表征44-66
• 4.1 電池中引入尖劈微結(jié)構(gòu)襯底研究思想44-46
• 4.2 尖劈微結(jié)構(gòu)研究概述46-47
• 4.3 石英尖劈陣列模板的制備與表征47-51
• 4.4 PMMA倒尖劈模板的制備與表征51-56
• 4.5 溶膠凝膠法復(fù)制尖劈微結(jié)構(gòu)以及性能表征56-62
• 4.6 小結(jié)62-63
• 參考文獻(xiàn)63-66
• 第五章 新型電子集流體襯底的設(shè)計(jì)、制備及電池性能66-93
• 5.1 電池中引入圖案化襯底研究思想66-68
• 5.2 圖案化襯底的制備與表征68-69
• 5.2.1 光刻掩模板設(shè)計(jì)68-69
• 5.2.2 襯底材料腐蝕速率的測(cè)量及腐蝕時(shí)間的確定69
• 5.3 微結(jié)構(gòu)圖案化襯底的制備與表征69-84
• 5.4 圖案化襯底表面導(dǎo)電層的制備84-85
• 5.5 圖案化襯底對(duì)電池性能的影響85-90
• 5.5.1 基于自行制備ITO層的圖案化襯底電池性能分析85-89
• 5.5.2 基于蒸鍍ITO層的圖案化襯底電池性能分析89-90
• 5.6 小結(jié)90-91
• 參考文獻(xiàn)91-93
• 第六章 總結(jié)與展望93-94
• 攻讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表94-95
• 致謝95-96

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