具有納米管陣列界面層的鈦基柔性染料敏化太陽能電池的制備及性能

【摘要】：染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cells, DSSCs)以光電轉(zhuǎn)化效率高、制備工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點引起了各國研究者的高度關(guān)注。為了拓寬染料敏化太陽電池的應(yīng)用領(lǐng)域,科學(xué)家們嘗試?yán)幂p便可彎折的柔性導(dǎo)電基板代替重量大、易破碎、昂貴的鍍有銦錫金屬氧化物導(dǎo)電層的玻璃來制備DSSCs。一般常用的柔性基板是聚合物導(dǎo)電基板,但是由于聚合物基板的熱穩(wěn)定性不夠,在其上制備的光陽極不能高溫?zé)Y(jié),導(dǎo)致二氧化鈦納米晶顆粒之間連接性不夠,電池性能不夠好。導(dǎo)電性優(yōu)異且耐電解液腐蝕的鈦箔用作光陽極基板,可耐受高溫?zé)Y(jié),光從對電極面照射到電池,即可克服金屬不透光的缺點。此外,金屬鈦箔基板與多孔二氧化鈦納米晶薄膜難以形成牢固的界面結(jié)合。因此,如何通過物理化學(xué)方法增加金屬鈦箔基板與多孔氧化物之間的結(jié)合力也是增加電池性能的有效手段。 針對以上問題本文開展了以下幾個方面的研究： (1)以高透過率的ITO-PET為對電極基板,利用離子濺射法制備出高透過率(60%-85%：400-800nm)高催化活性的柔性Pt對電極,比較了不同濺射條件下制備的柔性染料敏化太陽能電池的I-V性能。當(dāng)濺射時間為20s時,DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率最高,為4.0%。 (2)利用陽極氧化法,分別在NH4F和HF這兩種電解液體系中在鈦箔基板上成功制備了結(jié)構(gòu)規(guī)整有序的高密度TiO2納米管陣列。結(jié)合TiO2納米管陣列的形成機理,考察了不同電解液體系中不同陽極氧化電壓和不同陽極氧化時間對納米管陣列形成的影響。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)可發(fā)現(xiàn),NH4F電解液體系制備得到的TiO2納米管陣列厚度約在1.3-3μm左右,管徑約在60-70nm左右,HF電解液體系制備得到的TiO2納米管管徑約在60-70nm,厚度約在150-285nm。 (3)利用離子濺射制備的高催化活性高透過性的Pt電極作為對電極,經(jīng)陽極氧化處理的鈦箔作為光陽極基板,組裝成DSSCs電池。TiO2納米晶薄膜厚度對背面照射的染料敏化太陽能電池性能有明顯影響,當(dāng)絲網(wǎng)印刷層數(shù)為8層時,膜厚為17μm,電池性能最佳。分析并比較了不同氧化條件形成的TiO2納米管阻擋層對所制備的柔性DSSC的光電性能的影響,發(fā)現(xiàn)在NH4F體系中,當(dāng)陽極氧化時間為60min,電壓為30V時得到的TiO2納米管阻擋層制備的電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高,達(dá)到了5.1%；在HF體系中,當(dāng)陽極氧化時間為60min,電壓為60V時得到的TiO2納米管制備的電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高,為4.9%。利用TiCl4溶液處理TiO2納米管阻擋層,可修復(fù)納米管表面的缺陷,增加電子傳遞速率。經(jīng)TiCl4溶液處理的NH4F電解液得到的TiO2納米管阻擋層組裝成的DSSCs,其光電轉(zhuǎn)化效率由5.1%提高到了5.4%。同樣,HF電解液得到的TiO2納米管阻擋層經(jīng)TiCl4溶液處理后組裝成的DSSCs,其光電轉(zhuǎn)化效率由4.9%提高到了5.0%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 鉑對電極 二氧化鈦納米管 阻擋層 陽極氧化
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 引言12-13
• 1.2 柔性染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理13-16
• 1.2.1 柔性染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)13
• 1.2.2 柔性染料敏化太陽能電池工作原理13-15
• 1.2.3 柔性染料敏化太陽能電池的性能參數(shù)15-16
• 1.3 柔性基板的的研究進展16-18
• 1.3.1 柔性高分子導(dǎo)電薄膜基板16-17
• 1.3.2 金屬箔基板17-18
• 1.4 一維TiO_2納米材料在染料敏化太陽能電池的應(yīng)用18-19
• 1.5 柔性對電極的研究現(xiàn)狀19-22
• 1.5.1 化學(xué)還原法20
• 1.5.2 磁控濺射法20-21
• 1.5.3 電泳沉積法21-22
• 1.6 本文研究的內(nèi)容與目的22-24
• 1.6.1 課題的提出22-23
• 1.6.2 研究內(nèi)容23-24
• 第二章 高透過率高活性的柔性Pt/ITO-PET對電極的制備及其表征24-35
• 2.1 實驗部分24-26
• 2.1.1 主要試劑和材料24
• 2.1.2 表征手段24-25
• 2.1.3 實驗過程25-26
• 2.2 結(jié)果與討論26-33
• 2.2.1 柔性Pt/ITO-PET對電極的表面形貌分析26-27
• 2.2.2 柔性Pt/ITO-PET對電極的透過率分析27
• 2.2.3 柔性Pt/ITO-PET對電極的光電性能分析27-30
• 2.2.4 濺射制備的Pt/ITO-PET柔性對電極與剛性對電極的光電性能比較30-33
• 2.3 本章小結(jié)33-35
• 第三章 陽極氧化法制備一維TiO_2納米管阻擋層35-43
• 3.1 實驗部分35-36
• 3.1.1 主要試劑和材料35
• 3.1.2 表征手段35
• 3.1.3 實驗過程35-36
• 3.2 結(jié)果與討論36-41
• 3.2.1 陽極氧化法制備一維TiO_2納米管陣列的生長機理36-37
• 3.2.2 一維TiO-2納米管陣列的形貌與結(jié)構(gòu)表征37-41
• 3.3 本章小結(jié)41-43
• 第四章 含一維TiO_2納米管阻擋層的柔性DSSC的制備及其表征43-63
• 4.1 實驗部分43-44
• 4.1.1 主要試劑和材料43
• 4.1.2 表征手段43
• 4.1.3 實驗過程43-44
• 4.2 結(jié)果與討論44-62
• 4.2.1 TiO_2納米晶薄膜的厚度對DSSC性能的影響45-48
• 4.2.2 不同陽極氧化條件形成的TiO_2納米管對DSSC的影響48-52
• 4.2.3 不同阻擋層對DSSC性能的影響52-60
• 4.2.4 TiCl_4處理TiO_2納米管阻擋層對DSSC性能的影響60-62
• 4.3 本章小結(jié)62-63
• 第五章 全文總結(jié)63-64
• 參考文獻64-71
• 附錄一：碩士期間發(fā)表的論文及專利71-72
• 致謝72

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