染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極的制備及其性能研究

【摘要】： 太陽(yáng)能是一種取之不盡,用之不竭的綠色能源。開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能,被普遍認(rèn)為是解決能源危機(jī)的可行辦法。太陽(yáng)能電池是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。長(zhǎng)期以來(lái),由于硅基太陽(yáng)能電池成本太高,很難真正地達(dá)到替代常規(guī)能源,被更大規(guī)模的使用。染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是一種新型的薄膜電池,以其成本低、制備工藝簡(jiǎn)單而受到世界各國(guó)研究者的廣泛關(guān)注。本論文分別采用溶膠-凝膠法、靜電紡絲法和分子自組裝法制備了TiO_2和ZnO薄膜,并將其應(yīng)用于DSSC,研究了太陽(yáng)能電池的光電特性。 采用溶膠-凝膠法制備了TiO_2和ZnO薄膜。從SEM圖看到,兩種薄膜顆粒均勻,為20nm左右。退火后TiO_2薄膜和ZnO薄膜分別為銳鈦礦和纖鋅礦結(jié)構(gòu)。以TiO_2薄膜作為光陽(yáng)極吸附自制的天然染料,經(jīng)J-V測(cè)試發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率較低。這是由于所制薄膜表面平整,孔隙率少造成的,同時(shí),自制天然染料可吸收光的能量有限也可降低電池效率。 采用靜電紡絲法制備了TiO_2薄膜。為了改善薄膜與襯底的附著性,我們采用了在靜電紡絲前驅(qū)體溶液中加入乙醇胺的方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這一方法切實(shí)有效。由于所制備的是納米顆粒,因此稱該方法為電噴涂。所制備的薄膜由大小均勻的納米顆粒組成,多孔性較好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變乙醇胺的添加量可以較準(zhǔn)確的控制納米顆粒大小,且乙醇胺的加入量越大,納米顆粒尺寸越大。不同的乙醇胺添加量和薄膜厚度對(duì)電池各個(gè)參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生影響。厚度2μm的TiO_2薄膜制成的電池具有2.91%的轉(zhuǎn)化率。該方法在制備DSSC光陽(yáng)極時(shí)操作簡(jiǎn)單、晶粒尺寸可調(diào)、薄膜厚度可控,更適合于大規(guī)模生產(chǎn),因此為染料敏化太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化提供可能。 用分子自組裝方法制備了球形ZnO,并且將其應(yīng)用到染料敏化太陽(yáng)能電池中。我們發(fā)現(xiàn)相比于溶膠-凝膠制備的ZnO薄膜,電池的轉(zhuǎn)化效率有了很大的提高。分子自組裝方法制備的ZnO有以下優(yōu)點(diǎn):1)球形ZnO增加了光在薄膜中的散射,從而使得光的吸收率大大提高,進(jìn)而電池的效率得到提高;2)相比較溶膠-凝膠法制備的ZnO薄膜,球形ZnO具有更大的表面積,從而能夠吸收更多地染料,使電池效率大大提高。 【關(guān)鍵詞】：DSSC 溶膠-凝膠 靜電紡絲 電噴涂 乙醇胺 分子自組裝 亞微米球 光散射
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：O484
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-35
• 1.1 太陽(yáng)能電池的分類11-16
• 1.1.1 硅基太陽(yáng)能電池11-14
• 1.1.1.1 單晶硅太陽(yáng)能電池12
• 1.1.1.2 多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池12-13
• 1.1.1.3 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池13-14
• 1.1.2 化合物薄膜太陽(yáng)能電池14
• 1.1.3 聚合物太陽(yáng)能電池14-15
• 1.1.4 染料敏化太陽(yáng)能電池15
• 1.1.5 小結(jié)15-16
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池基本結(jié)構(gòu)和工作原理16-23
• 1.2.1 光陽(yáng)極17-22
• 1.2.2 電解質(zhì)22
• 1.2.3 光陰極22-23
• 1.2.4 本節(jié)小結(jié)23
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池納米晶多孔膜的研究進(jìn)展23-29
• 1.3.1 染料敏化太陽(yáng)能電池中的半導(dǎo)體納米晶多孔膜23-25
• 1.3.2 納米晶多孔膜的制備25-27
• 1.3.3 DSSC中的半導(dǎo)體納米晶多孔膜的改性研究27-29
• 1.3.4 本節(jié)小結(jié)29
• 1.4 論文研究的意義和主要內(nèi)容29-31
• 參考文獻(xiàn)31-35
• 第二章實(shí) 驗(yàn)方法和表征手段35-56
• 2.1 實(shí)驗(yàn)方法35-42
• 2.1.1 Sol-Gel法35-37
• 2.1.2 靜電紡絲方法37-41
• 2.1.3 自組裝方法介紹41-42
• 2.2 試劑與實(shí)驗(yàn)儀器42-43
• 2.3 表征手段43-52
• 2.3.1 X射線衍射43-45
• 2.3.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)45-46
• 2.3.3 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis)46-47
• 2.3.4 拉曼光譜(Raman)47-48
• 2.3.5 電池的性能測(cè)試48-52
• 2.3.5.1 測(cè)試條件48
• 2.3.5.2 開(kāi)路電壓(Voc)48-49
• 2.3.5.3 短路電流(Isc)49-50
• 2.3.5.4 光電轉(zhuǎn)化效率50-52
• 2.4 本章小結(jié)52
• 參考文獻(xiàn)52-56
• 第三章 Sol-Gel法制備DSSC的光陽(yáng)極56-69
• 3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程56-60
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論60-67
• 3.2.1 XRD數(shù)據(jù)分析60-61
• 3.2.2 表面形貌分析61-62
• 3.2.3 紫外-可見(jiàn)光譜分析62-67
• 3.2.3.1 染料的吸收光譜分析62-64
• 3.2.3.2 染料敏化后的TiO_2膜的吸收光譜分析64-65
• 3.2.3.3 數(shù)據(jù)分析65-67
• 3.3 本章小結(jié)67
• 參考文獻(xiàn)67-69
• 第四章 靜電放絲法及電噴涂法制備DSSC光陽(yáng)極69-83
• 4.1 靜電紡絲制備TiO_2納米晶薄膜69-70
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析70-72
• 4.2.1 樣品的SEM圖70-71
• 4.2.2 太陽(yáng)能電池參數(shù)的測(cè)量71-72
• 4.3 電噴涂法制備DSSC72-80
• 4.3.1 改變乙醇胺添加量制備DSSC73-78
• 4.3.1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程73-74
• 4.3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析74-78
• 4.3.2 乙醇胺添加量不變制備不同厚度的DSSC電極78-80
• 4.3.2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程78
• 4.3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析78-80
• 4.4 本章小結(jié)80-81
• 參考文獻(xiàn)81-83
• 第五章 ZnO球制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極83-90
• 5.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程83-84
• 5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)處理84-88
• 5.2.1 形貌表征84-85
• 5.2.2 結(jié)構(gòu)表征85-86
• 5.2.3 太陽(yáng)能電池性能的測(cè)量86-88
• 5.3 本章小結(jié)88-89
• 參考文獻(xiàn)89-90
• 總結(jié)與展望90-93
• 附錄93-94
• 致謝94

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