触变性电解质及卟啉染料敏化的太阳能电池光电性能研究

【摘要】：染料敏化多孔纳米晶半导体太阳能电池由于廉价高效的特点近年来得到迅猛发展,成为当前科学研究和技术开发的热点之一。这种电池作为一种多组分复合体系,目前还存在着一些制约因素,譬如液态电解质电池引起的电极腐蚀、电解液泄露、寿命短,目前常用的羧酸多吡啶钌价格昂贵等等一系列问题。针对这些问题,准固态或固态电解质被不断开发和利用,但目前,其效率无法与液态电解质相比,主要是由于这些电解质的填充性和孔隙填充较差,不能形成有效地界面结合,还有电解质中离子的迁移速度较差等原因制约了电池的效率提高。本论文基于寻找新型电解质材料和开发新型染料的考虑,采用溶胶-凝胶法制备具有血液仿生触变性电解质,得到准固态染料敏化太阳能电池。并且通过分子结构优化,合成含偶氮苯卟啉衍生物染料,并将其应用到液态染料敏化太阳能电池。本论文研究主要内容包括： 通过溶胶水热法合成纳米TiO2溶胶并配合有机高分子分散剂(PVA)得到镀膜用溶胶,运用电流体动力学(electro-hydrodynamic, EHD)制备了纳米晶TiO2多孔薄膜。通过SEM、TEM及光谱等分析表明：EHD制备的纳米晶TiO2多孔薄膜中具有多级结构特征,并表现出良好的光散射性质。 利用溶胶-凝胶法合成的纳米TiO2前驱体溶胶并配合离子液体电解质制备了三种不同组成的血液仿生触变性准固态电解质。通过电解质的触变性、热稳定性、离子电导率和填充性分析,结果表明,血液仿生触变性电解质具有优异热稳定性、较高的离子电导能力和在多孔薄膜孔隙填充性质。 通过血液仿生触变性电解质成功组装染料敏化太阳能电池,并进行光电性能的分析。在模拟太阳光强度为100mW/cm2下,电解质TPNE1、TPNE2及TPNE3分别获得了总体光电能量转换效率为6.45%、6.36%及5.7%,并且具有较高的填充因子(≥0.70)。在未进行任何封装条件下,10天测试时间内,触变性电解质电池器件的稳定性明显好于其对应成分的离子液体电解质。电化学阻抗分析结果表明,触变性电解质表现出与离子液体电解质相比拟的电荷传输能力。 通过分子结构优化,成功合成了含偶氮苯卟啉染料衍生物H2P和其锌金属离子络合衍生物ZnP。引入的偶氮苯基来增加卟啉分子的π共轭体系,偶氮苯端基连接的酚基并作为在氧化钛半导体的吸附基团。通过光谱及循环伏安法测试分析,验证了含偶氮苯卟啉衍生物染料作为染料敏化太阳能电池的光敏剂的可行性。 利用偶氮苯卟啉衍生物染料敏化纳米晶TiO2多孔薄膜,配合液态电解质组装电池。结果表明,卟啉衍生物染料ZnP表现出较为优异的敏化能力,在模拟太阳光强度为100mW/cm2下,获得了光电能量转换效率为4.37%,尤其短路光电流达到14.6mA/cm2,在已被应用的卟啉染料敏化太阳能电池所报道的最高值之一。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 准固态电解质 触变性 卟啉 TiO_2
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-18
• 第1章 绪论18-46
• 1.1 研究背景18-19
• 1.2 太阳能电池的研究发展19-20
• 1.3 染料敏化太阳能电池的工作原理20-23
• 1.4 纳米半导体薄膜光阳极及研究现状23-28
• 1.4.1 纳米晶薄膜致密层23-24
• 1.4.2 纳米晶多孔薄膜的制备方法24-27
• 1.4.3 异质核壳结构光阳极27-28
• 1.4.4 柔性DSSC光阳极28
• 1.5 染料28-33
• 1.5.1 染料种类29-32
• 1.5.2 多种染料协同敏化32-33
• 1.5.3 染料研究和发展方向33
• 1.6 电解质33-39
• 1.6.1 有机液体电解质34-35
• 1.6.2 空穴导电材料35-37
• 1.6.3 离子液体电解质37-38
• 1.6.4 聚合物电解质38-39
• 1.7 对电极39-40
• 1.8 国内外主要DSSC研究进展40-41
• 1.9 太阳电池的主要性能参数41-44
• 1.9.1 光电转换效率41-42
• 1.9.2 电池的I-V曲线42-44
• 1.10 本论文的立题思想和主要研究内容44-46
• 第2章 样品制备与表征46-62
• 2.1 前言46
• 2.2 实验材料及仪器46-47
• 2.2.1 实验用化学试剂及材料46-47
• 2.2.2 实验设备及测试仪器47
• 2.3 纳米晶TiO_2多级结构薄膜制备47-50
• 2.3.1 纳米TiO_2光阳极薄膜的制备工艺路线48
• 2.3.2 水热法制备纳米TiO_2溶胶48-49
• 2.3.3 纳米晶TiO_2光阳极薄膜的制备操作过程49-50
• 2.4 血液仿生触变性电解质的制备50-52
• 2.4.1 离子液体电解质的制备51-52
• 2.4.2 血液仿生触变性电解质的制备52
• 2.5 含偶氮苯卟啉衍生物的合成52-56
• 2.5.1 含偶氮苯卟啉衍生物的合成整体路线53-54
• 2.5.2 中间体4-羟基偶氮苯甲醛的合成54-55
• 2.5.3 卟啉衍生物H_2P的合成55
• 2.5.4 卟啉锌的衍生物ZnP的合成55-56
• 2.6 电池器件的组装制备56-58
• 2.6.1 触变性电解质的准固态电池的组装56-57
• 2.6.2 基于含偶氮苯卟啉染料敏化的光阳极液态电池的组装57-58
• 2.7 研究及表征方法58-61
• 2.7.1 粉末样品的X射线衍射(XRD)分析58
• 2.7.2 粉末样品的透射电子显微镜(TEM)分析58-59
• 2.7.3 扫描电子显微镜(SEM)分析59
• 2.7.4 纳米晶TiO_2多孔薄膜中孔隙分布测试59
• 2.7.5 吸收光谱测试59
• 2.7.6 卟啉衍生物的荧光发射光谱测试59
• 2.7.7 卟啉衍生物的电化学测试59-60
• 2.7.8 触变性电解质的热重分析测试60
• 2.7.9 触变性电解质的离子导电性能测试60
• 2.7.10 电池器件的V-I性能测试60-61
• 2.7.11 电池器件的光电转换效率(IPCE)测试61
• 2.7.12 电池的电荷转移过程分析61
• 2.8 本章小结61-62
• 第3章 纳米晶TiO_2多级结构薄膜的分析62-70
• 3.1 XRD测试结果分析62-63
• 3.2 粉体的TEM测试结果分析63-64
• 3.3 薄膜的SEM测试分析64-67
• 3.4 孔隙分布分析67-68
• 3.5 薄膜的光谱测试结果分析68-69
• 3.6 本章小结69-70
• 第4章 触变性电解质的性质及电池器件的光电性能70-90
• 4.1 前言70-71
• 4.2 电解质的测试结果分析71-79
• 4.2.1 准固态电解质的流动性分析71-72
• 4.2.2 准固态电解质的触变性机理分析72-74
• 4.2.3 触变性电解质的热稳定性能分析74-75
• 4.2.4 触变性电解质的热重分析75-76
• 4.2.5 触变性电解质电导率分析76-77
• 4.2.6 触变性电解质在染料敏化TiO_2薄膜中分布77-79
• 4.3 N3染料敏化薄膜的吸收光谱分析79-80
• 4.4 电池器件的光电性能的分析80-84
• 4.4.1 电池器件的V-I曲线分析80-82
• 4.4.2 不同光强的V-I曲线分析82-83
• 4.4.3 电池器件的IPCE分析83-84
• 4.5 不同电解质的电荷传输行为研究84-87
• 4.6 电池器件的稳定性分析87-89
• 4.7 本章小结89-90
• 第5章 含偶氮苯卟啉衍生物的光学性质与光电性能90-105
• 5.1 前言90
• 5.2 含偶氮苯卟啉染料的光物理性质和电子态能级90-96
• 5.2.1 紫外-可见吸收光谱和发射光谱分析91-92
• 5.2.2 电化学测试结果分析92-94
• 5.2.3 含偶氮苯卟啉分子的电子态能级估算94-96
• 5.3 卟啉染料敏化光阳极薄膜的吸收光谱分析96-99
• 5.3.1 卟啉H_2P敏化光阳极薄膜的吸收光谱96-97
• 5.3.2 卟啉ZnP敏化光阳极薄膜的吸收光谱97-99
• 5.4 卟啉敏化太阳能电池的光电性能分析99-102
• 5.4.1 标准光强下的光电性能99-100
• 5.4.2 不同光强下卟啉ZnP敏化太阳能电池的光电性能100-101
• 5.4.3 卟啉敏化太阳能电池的IPCE分析101-102
• 5.5 卟啉敏化太阳能电池的电荷传输行为分析102-103
• 5.6 本章小结103-105
• 结论105-107
• 参考文献107-122
• 攻读博士学位期间发表的学术论文122-123
• 致谢123

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