染料敏化太阳能电池光阳极和对电极新材料的探究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)具有安全无毒、成本低、光电转换效率高等优点,迅速成为太阳能大规模利用的潜在候选者。光阳极和对电极是染料敏化太阳能电池的两个重要组成部分,他们的组成和结构直接影响电池的光电转换效率和稳定性。纳米Ti02介孔薄膜是目前DSSCs使用最广泛的光阳极材料,在DSSCs中作为染料的载体,具有接收光生电子和传输电子的作用,是影响电池光电转换性能的关键组成部分。由于纳米TiO2薄膜仍存在一些不足,例如较高密度的表面态,以及较低的电子迁移率,这无疑加速了电荷的重组,限制了的电荷传输。为了推进染料敏化太阳能电池的广泛应用,探索更高效的的光阳极,本文在传统的商业TiO2 (P25)光阳极基础上,引入具有较高的电子迁移率的Sn02,制备了SnO2/ TiO2复合材料光阳极,加快了光阳极上的电子传输速率,抑制了光电子的界面复合,提高了电荷收集效率。同时,对电极作为染料敏化太阳能电池(DSSCs)的另一重要组成部分,具有收集外电路的电子、吸附电解质并不断催化I3-得到电子后还原为r的重要作用。而传统的对电极材料为金属铂,其成本约占电池的70%左右,因此寻找低成本的对电极来替代铂成为降低电池成本的关键。本文采用碳与导电聚合物的复合材料代替铂作为对电极,大大降低了电池的成本。通过测试电池的光电流密度-电压输出特性曲线,探寻影响染料敏化太阳能电池光电转换效率的主要因素,分析影响机理。主要内容如下：(1)分别采用10nm的TiO2、20 nm的Sn02制备成电池,与商业TiO2 (P25)比较,分析影响电池效率的性能参数。结果表明,几种纳米半导体薄膜的比表面积、染料吸附量、开路电压、短路电流密度等光电性能参数差异较大,影响了电池的光电转换效率。虽然Sn02具有较高的电子迁移率而备受关注,但是纯Sn02不是好的光阳极材料。(2)采用Ti02和SnO2混合体系制备TiO2/SnO2复合光阳极,制备了TiO2/SnO2复合材料染料敏化太阳能电池。引入热-气泡法合成高结晶性的3.4nm的SnO2,首先将SnO2与TiO2按照不同的质量百分比进行混合后制备成混合浆料,通过丝网印刷法得到混合薄膜,然后通过将薄膜浸泡在TiCl4水溶液中而在其表面覆盖一层Ti02,得到TiO2/SnO2复合材料薄膜。通过比较基于不同质量百分比的Sn02的复合光阳极,发现当Sn02和Ti02的质量百分比为7.5时,复合电极的比表面积、电导率和电荷收集效率等达到最大值。讨论了TiO2/SnO2复合材料中光生电子的传输及其能带结构,研究复合材料的光电性质以及光生电子传输机理。由四探针法电导率测试和EIS测试,证实了TiO2/SnO2复合材料薄膜的导电性能优异。因此TiO2/SnO2复合材料电池的短路电流密度大幅度提高,其电池的光电转换效率最大达到了6.6%,比相对纯Ti02的DSSCs提高了52%。这种高效的SnO2/TiO2已被证实是染料敏化太阳能电池的一种很有前途的光阳极半导体复合材料。(3)将PDDA功能化的多壁碳纳米管得到的复合材料PDDA/CNTs用作对电极,来取代传统的高成本的Pt对电极,可大大降低电池的成本。讨论了影响PDDA/CNTs对电极组装的DSSCs的光电性能的主要因素以及电池的稳定性。最优化的电池的光电转换效率(η)和单色光光电转换效率(IPCE)分别达到5.65%和61.6%。相对于纯CNTs对电极组装的电池,其光学性能明显提高,主要归功于CNTs具有较强的电导率以及PDDA/CNTs复合材料能在氧化还原反应中表现出优异的催化活性。PDDA/CNTs复合材料是DSSCs对电极中Pt的一个出色的潜在替代品。这种低温合成碳纳米管-导电聚合物的方法,为今后的对电极新材料的研究工作提供了一个有价值的参考。(4)寻求简单而有效的制备对电极浆料的方法以及对电极的镀膜方法。CNTs和PDDA/CNTs复合材料对电极的浆料的制备均采用用去离子水作为溶剂,未添加任何粘合剂或者表面活性剂；引入简单的滴加法和低温干燥的方法得到薄膜；通过比较旋涂法和滴加法两种制备对电极薄膜的方法,发现两种电池的效率相当；对于滴加法也可以用于铂浆料制备对电极薄膜。这种滴加法以及低温处理电极薄膜的方法,简单易操作,薄膜均匀,膜厚易控制,为碳材料及其导电物复合材料的对电极的制备提供了有效的参考。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 PDDA/CNTs复合材料 碳纳米管 聚二烯基丙二甲基氯化铵(Poly dimethyl diallyl ammonium chloride PDDA) 光阳极 二氧化钛(TiO_2) 二氧化锡(SnO_2) TiO_2/SnO_2复合材料
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4;TB33
【目录】：

• 致谢9-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-23
• 第一章 绪论23-50
• 1.1 太阳能电池以及薄膜太阳能电池的分类25-26
• 1.1.1 硅系列太阳能电池25-26
• 1.1.1.1 单晶硅薄膜太阳能电池25
• 1.1.1.2 多晶硅薄膜太阳能电池25-26
• 1.1.1.3 非晶硅薄膜太阳能电池26
• 1.1.2 化合物半导体薄膜太阳能电池26
• 1.1.3 染料敏化太阳能电池26
• 1.1.4 有坑聚合物太阳能电池26
• 1.2 太阳能电池的组件及其构造26-27
• 1.3 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理27-31
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的基本结构27-28
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的工作原理28-30
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池的光电转换性能评价参数30-31
• 1.4 染料敏化太阳能电池主要组成部分的性质和作用31-32
• 1.4.1 光阳极(photoanode)31-32
• 1.4.2 对电极(CEs)32
• 1.4.3 染料敏化剂(Dye)32
• 1.4.4 电解液(electrolyte)32
• 1.5 染料敏化太阳能电池电池各组成部分的研究进展32-47
• 1.5.1 光阳极的研究进展33-40
• 1.5.2 对电极的研究进展40-43
• 1.5.3 染料敏化剂的研究现状43-46
• 1.5.4 电解液的研究进展46
• 1.5.5 存在的问题和展望46-47
• 1.6 染料敏化太阳能电池的应用47-48
• 1.7 本文研究的主要内容48-50
• 第二章 染料敏化太阳能电池的制备方法与测试50-65
• 2.1 二氧化钛纳米多孔薄膜光阳极的制备50-54
• 2.1.1 浆料的制备50-51
• 2.1.2 FTO导电基底的准备51-52
• 2.1.3 四氯化钛的前处理52
• 2.1.4 印膜52-53
• 2.1.5 四氯化钛后处理53-54
• 2.1.6 染料的浸泡54
• 2.2 电解液的配制54
• 2.3 对电极的制备54-55
• 2.4 电池的组装55-56
• 2.5 染料敏化太阳能电池的性能测试方法及原理56-58
• 2.5.1 输出特性(J-V)测试56-57
• 2.5.2 单色光光子-电子转换效率测试57
• 2.5.3 暗电流测试57-58
• 2.6 实验试剂和仪器58-62
• 2.6.1 实验试剂58-61
• 2.6.2 实验设备61-62
• 2.7 材料表征与测试方法62-65
• 2.7.1 X-射线衍射XRD62
• 2.7.2 扫描电镜SEM62-63
• 2.7.3 透射电镜TEM63
• 2.7.4 紫外-可见吸收光谱(LV-VIS SPECTRA)63-65
• 第三章 两种典型的纳米晶染料敏化太阳能电池65-73
• 3.1 P25和10纳米的二氧化钛纳米晶染料敏化太阳能电池65-70
• 3.1.1 P25光阳极的电池65-67
• 3.1.2 10纳米的二氧化钛光阳极的电池67-70
• 3.2 单分散的氧化锡纳米晶染料敏化太阳能电池70-72
• 3.2.1 ～20纳米的氧化锡的制备70-71
• 3.2.2 氧化锡纳米晶光阳极电池的制备71
• 3.2.3 氧化锡纳米晶材料的TEM表征71
• 3.2.4 氧化锡纳米晶光阳极电池性能测试71-72
• 3.3 分析与讨论72
• 3.4 本章小结72-73
• 第四章 用Hot-bubbling方法合成的3.5纳米的SnO_2的复合材料在染料敏化太阳能电池中的应用73-89
• 4.1 试剂与仪器74
• 4.2 3.4纳米的氧化锡的热-气泡法(Hot-bubbling method)的合成及表征74-77
• 4.2.1 3.4纳米的氧化锡的Hot-bubbling method合成74-75
• 4.2.2 3.4纳米的氧化锡的XRD、TEM表征75-77
• 4.3 基于3.4纳米的氧化锡的SnO_2/TiO_2复合材料电池的制备77-78
• 4.3.1 基于3.4纳米的氧化锡的SnO_2/TiO_2复合材料浆料的制备77
• 4.3.2 基于3.4纳米的氧化锡的SnO_2/TiO_2复合材料光阳极的制备77-78
• 4.3.3 基于3.4纳米的氧化锡电池的组装78
• 4.3.4 基于20nm氧化锡的SnO_2/TiO_2的复合材料和P25光阳极及其电池的制备78
• 4.4 表征仪器与设备78
• 4.5 结果与讨论78-87
• 4.5.1 场发射扫描电子显微镜(SEM)分析79-80
• 4.5.2 透射电子显微镜(TEM)和高分辨率的透射电镜(HRTEM)分析80
• 4.5.3 XRD分析80-81
• 4.5.4 紫外可见吸收光谱UV-vis分析81
• 4.5.5 四探针法电阻率和霍尔效应测试81-82
• 4.5.6 N_2吸附-脱附等温线分析82
• 4.5.7 J-V曲线分析82-83
• 4.5.8 电化学交流阻抗(EIS)分析83-85
• 4.5.9 调制光电压和光电流光谱(IMPS和IMVS)分析85-87
• 4.6 本章小结87-89
• 第五章 CNTS以及PDDA/CNTS复合材料对电极的染料敏化太阳能电池89-109
• 5.1 引言89-91
• 5.2 CNTs以及PDDA/CNTs复合材料对电极的研究91-95
• 5.2.1 材料91
• 5.2.2 CNTs以及PDDA/CNTs复合材料以及Pt对电极的制备91-94
• 5.2.3 光阳极的制备94
• 5.2.4 电池的封装94-95
• 5.3 表征仪器与设备95-96
• 5.3.1 CNTs分散性的表征95
• 5.3.2 CNTs以及PDDA/CNTs复合材料的结构表征95
• 5.3.3 电池的J-V特性曲线测试95-96
• 5.3.4 电池的CV和EIS测试96
• 5.4 材料分析与讨论96-101
• 5.4.1 ZETA(ζ)电势的测试结果与分析96-98
• 5.4.2 TG和DSC测试结果与分析98
• 5.4.3 XPS测试结果与分析98-99
• 5.4.4 Raman谱和FTIR谱测试结果与分析99-100
• 5.4.5 SEM和TEM测试结果与分析100-101
• 5.5 不同材料的对电极电化学性能以及电池性能测试与分析101-104
• 5.5.1 J-V和IPCE光伏特性研究101-103
• 5.5.2 循环伏安(CV)测试103-104
• 5.5.3 EIS测试104
• 5.7 基于不同质量百分比PDDA/CNTs对电极的电池的光伏性能104-105
• 5.8 基于不同厚度的CNTs,PDDA/CNTs对电极组装的电池的光伏性能105-106
• 5.9 基于滴加法和旋涂法两种不同镀膜方法得到的PDDA/CNTs对电极电池的光伏性能106-107
• 5.10 本章小结107-109
• 第六章 总结与展望109-111
• 6.1 主要结论109-110
• 6.2 展望110-111
• 参考文献111-125
• 攻读博士学位期间发表的论文125-127
• 参与的课题127

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