新型光陽極材料在染料敏化太陽能電池中的應用

【摘要】：新型染料敏化太陽電池(Dye-Sensitized Solar Cell,以下簡稱DSSC)由瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學院(EPFL) Gratzel教授于90年代取得突破性進展,相對于昂貴的硅太陽能電池,其作為一種廉價的替代品更具潛力。因此,在學術界和工業(yè)界有許多研究人員都專注于對DSSC的設備的開發(fā)和研究。本論文對新型光陽極材料展開研究,一些功能半導體材料成功運用于DSSC里面。本文的主要研究結(jié)果歸納如下： 1.碳納米管纖維 我們提出的太陽能電池,首次使用柔性、質(zhì)輕、超強的半導體性碳納米管制備了一系列新型的太陽能電池。和傳統(tǒng)的剛性平面電池以及最近開始研究的柔性薄膜或纖維電池相比,碳納米管纖維太陽能電池具有其獨特的優(yōu)勢。 第一,由于碳納米管是相互平行排列的,碳納米管纖維因此具有優(yōu)良的電學性能,使這類太陽能電池能夠產(chǎn)生高的短路電流(Jsc)、單色光量子效率(IPCE)和能量轉(zhuǎn)換效率(η)。第二,碳納米管纖維具有極好的機械性能,如比Kevlar更強,拉伸強度比最強的工業(yè)纖維zylon和dyneema更高。第三,這些碳納米管纖維具有直徑可調(diào)、質(zhì)輕、彎曲性能好且可編制等優(yōu)點。 2.鋅/鎢摻雜與填充因子 作為DSSC中的一個重要參數(shù),科學界對于填充因子(FF)研究一致非常少。盡管對填充因子和串聯(lián)電阻密切相關的報道已經(jīng)廣為接受,然而對于因為半導體的內(nèi)部以及和染料以及電解液界面的電阻所帶來的半導體光陽極的性質(zhì)對于填充因子的影響鮮有研究。 在本研究中,我們采用兩個系列：a)未摻雜以及摻雜濃度從0.5%到10%的鋅摻雜系列；b)未摻雜以及鎢摻雜系列,這里面的鎢摻雜濃度范圍0.1%到2%。在對DSSC的研究中,我們發(fā)現(xiàn)其填充因子(FF)隨著Zn摻雜濃度的增高而增大,但隨著W摻雜濃度的增高而減小。我們建立了一個單二極管模型來分析FF與Voc和理想因子(m)的關系,這一模型通過FF隨Voc/m增大而增大的正相關關系闡明了摻雜濃度對填充因子的影響。 3.三價鐵/二價鐵摻雜 在改善DSSC效率方面,摻雜是一個不錯的選擇,但是過去的研究關注的是單一價態(tài)的摻雜。在本研究中,我們采用溶膠凝膠以及水熱合成的方法進行不同價態(tài)的鐵摻雜。證實0.5wt%Fe2+摻雜后形成Fe2+-Fe3+離子共存在的摻雜,其相比較于單一價態(tài)的Fe3+摻雜,Jsc和η分別增加了17.6%和17.2%。任何價態(tài)的鐵摻雜,都可以降低二氧化鈦的導帶能級,隨著Fe2+離子濃度從0.5%增至1%,之后用0.25wt%Fe2+-0.25wt%Fe3+到最后的0.5wt%Fe3+離子摻雜后一直在降低導帶能級,從而與染料的激發(fā)態(tài)能級更好的匹配,提高了電荷注入效率。 摻雜形成一種表面改進方法,使得納米顆粒表面等電點發(fā)生正移,增加染料吸附量；也使得納米顆粒分布更加均勻,以及亞鐵和鐵離子之間的電子轉(zhuǎn)移更加流暢而提高了填充因子(9.6%)。并且摻雜后發(fā)現(xiàn)有良好的抑制電荷復合的效果,提高了電荷分離的能力,增加了電子的壽命。 4. SrCO3/TiO2雙層包覆 表面改性在提高染料敏化太陽能電池(DSSC)的效率方面起著至關重要的作用,但傳統(tǒng)報道的表面處理,在性能方面一般都優(yōu)于未經(jīng)處理的二氧化鈦,但遜色于典型的TiCl4處理。我們的這項工作是在多孔二氧化鈦表面經(jīng)過兩步處理醋酸鍶[Sr(OAc)2]和TiCl4,燒結(jié)形成的碳酸鍶電子絕緣層上形成在TiO2表面,然后一個新的二氧化鈦層沉積在碳酸鍶層的頂部,從而形成相應的的雙層SrCO3/TiO2包覆層。 在制造高效的染料敏化太陽能電池方面,Sr(OAc)2-TiCl4處理要比TiCl4,處理要好的多,Jsc,開路光電壓(Voc)和η分別增加了17%,18mV以及20%。開路下的電荷密度和控制強度調(diào)制光電流/光電壓譜顯示,兩種電極的導帶幾乎在相同的水平,但存在不同的電荷復合速率常數(shù)和電子擴散系數(shù)。由于碳酸鍶層阻斷了電子與I3-離子層的復合作用,Sr(OAc)2-TiCl4處理的DSSC電荷復合速率常數(shù)是TiCl4處理的DSSC的一半,這與Voc的變化相吻合。短路光電流的提高也歸因于碳酸鍶的中間層,他不僅僅提高染料的吸附,而且由于碳酸鍶阻塞效果抑制了電荷的復合從而提高電荷分離效率。 【關鍵詞】：染料敏化 太陽能電池 碳納米管 TiO_2 摻雜 包覆 強度調(diào)制光電流譜 強度調(diào)制光電壓譜 電荷復合 電子壽命 填充因子 導帶 多價態(tài)
【學位授予單位】：復旦大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第1章 緒論9-29
• 1.1 課題背景9-10
• 1.2 太陽能電池概述10-14
• 1.3 染料敏化太陽能電池(DSSC)的結(jié)構(gòu)原理與技術指標14-17
• 1.4 染料敏化太陽能電池的研究現(xiàn)狀17-24
• 1.5 課題研究內(nèi)容及目的24-26
• 1.6 參考文獻26-29
• 第2章 實驗與測試方法29-37
• 2.1 實驗原材料與DSSC制備的工藝流程29-32
• 2.2 表征使用儀器與測試方法32-36
• 2.3 參考文獻36-37
• 第3章 碳納米纖維染料敏化太陽能電池37-49
• 3.1 引言37-38
• 3.2 實驗部分38-39
• 3.3 結(jié)果與討論39-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 3.5 參考文獻47-49
• 第4章 鋅/鎢摻雜對于填充因子的影響49-61
• 4.1 引言49-50
• 4.2 實驗部分50
• 4.3 結(jié)果與討論50-57
• 4.4 本章小結(jié)57-58
• 4.5 參考文獻58-61
• 第5章 Fe~(2+)/Fe~(3+)摻雜薄膜的制備及研究61-75
• 5.1 引言61-62
• 5.2 實驗部分62
• 5.3 結(jié)果與討論62-71
• 5.4 本章小結(jié)71-72
• 5.5 參考文獻72-75
• 第6章 雙層包裹對光電性能的影響75-91
• 6.1 引言75-76
• 6.2 實驗部分76-78
• 6.3 結(jié)果與討論78-86
• 6.4 本章小結(jié)86-88
• 6.5 參考文獻88-91
• 第7章 結(jié)論91-93
• 致謝93-95
• 攻讀學位期間發(fā)表的論文及取得的成果95-97

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