功能电极材料在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池由于其制做工艺简单、生产成本低廉、光电转换效率较高等优点而受到世界各国科学工作者的广泛关注。新型电极材料的开发为染料敏化太阳能电池光伏性能的提高、生产成本的降低以及实用型电池器件的开发提供了新的途径。本文研究的主要内容如下： 通过三元共聚的方法制备出比表面积高达1044m2/g的有序介孔碳,并将其制做成对电极应用于染料敏化太阳能电池。研究发现,相对于普通的碳黑对电极,有序介孔碳对电极由于具有更大的比表面积,因而能够为I3-的还原提供了更多的电化学催化活性面积。所以,采用有序介孔碳对电极的染料敏化太阳能电池的光伏性能远胜于基于普通碳黑对电极的电池的性能,其短路电流密度可以达到13.92mA cm-2,而其光电转换效率可以达到6.51%。并且,相对于传统的铂对电极,该有序介孔碳对电极的制做成本低廉,因而是一种高效廉价的新型对电极。 通过模板法制备出直径大约为100nm的聚吡咯米管,并将其自组装成厚度大约为180微米的柔性可弯曲的聚吡咯膜。由于该膜具有比较大的比表面积,具有一定的厚度且多孔易渗透,故将其做为对电极应用于染料敏化太阳能电池时,有利于电解液的渗透和13-的还原。采用该聚吡咯膜对电极的染料敏化太阳能电池的光电转换效率可以达到5.27%,相当于基于传统Pt/FTO刚性对电极的电池的效率的84%。 因为传统的染料敏化太阳能电池采用的染料的吸收限大约为750纳米,因此,所有能量小于1.65eV的光子均不可被利用,仅此一项的光能损失就高达50%以上。为了能够充分利用这一部分能量来提高电池的转换效率,我们首次提出了将中间带引入染料敏化太阳能电池这一设想。为了计算的方便,我们首先考查了基于二氧化钛中间带太阳能电池的极限理论效率。计算结果表明,当在二氧化钛的禁带中引入一个或两个中间带时,其极限效率可分别达到42%和50%。这为染料敏化太阳能电池的进一步发展提供了一个全新的途径。 采用水热法制备了微量钼掺杂的二氧化钛纳米晶薄膜做为光阳极应用于染料敏化太阳能电池。通过开路电压衰减测试和电化学阻抗谱测试发现,适量的钼掺杂有利于电子寿命的提高和电子传输,从而使电池器件的短路电流密度和光电转换效率均有大幅度的提高。当掺杂浓度为20ppm时,其光伏性能为最优。然而,微量掺杂对染料敏化太阳能电池的深层次的作用机理还有待进一步的研究。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 对电极 光阳极 中间带
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 论文创新点5-9
• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 引言13-14
• 第一章 绪论14-40
• 1.1 太阳能电池的研究背景14-15
• 1.2 太阳能电池的发展15-18
• 1.3 染料敏化太阳能电池18-34
• 1.3.1 基本结构和原理18-20
• 1.3.2 基本性能参数20-22
• 1.3.3 光敏剂22-27
• 1.3.3.1 金属配合物染料23-26
• 1.3.3.2 纯有机染料26
• 1.3.3.3 无机量子点染料26-27
• 1.3.4 光阳极27-31
• 1.3.5 电解质31-32
• 1.3.5.1 液态电解质31-32
• 1.3.5.2 固态电解质32
• 1.3.6 对电极32-34
• 1.3.6.1 铂对电极33-34
• 1.3.6.2 碳基对电极34
• 1.3.6.3 导电聚合物对电极34
• 1.3.6.4 无机化合物对电极34
• 1.4 中间带太阳能电池34-39
• 1.4.1 研究背景35
• 1.4.2 基本原理35-37
• 1.4.3 量子点中间带太阳能电池37
• 1.4.4 杂质中间带太阳能电池37-38
• 1.4.5 高失配合金38-39
• 1.5 论文的研究意义和主要内容39-40
• 第二章 有序介孔碳对电极在染料敏化太阳能电池中的应用研究40-49
• 2.1 引言40-41
• 2.2 实验部分41-43
• 2.2.1 有序介孔碳的制备41
• 2.2.2 碳基对电极和铂对电极的制备41-42
• 2.2.3 光阳极的制备42
• 2.2.4 DSSCs的组装42
• 2.2.5 表征和测试42-43
• 2.3 结果与讨论43-48
• 2.3.1 有序介孔碳的表征43-46
• 2.3.2 光伏电能和电化学性能测试46-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第三章 自组装聚吡咯纳米管薄膜在染料敏化太阳能电池对电极中的应用研究49-57
• 3.1 引言49-50
• 3.2 实验部分50-51
• 3.2.1 聚吡咯薄膜电极和铂电极的制备50-51
• 3.2.2 DSSCs的组装51
• 3.2.3 表征和测试51
• 3.3 结果与讨论51-56
• 3.3.1 聚吡咯膜微观结构表征51-53
• 3.3.2 电池器件的光伏性能测试53-54
• 3.3.3 对电极电化学性能表征54-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第四章 基于二氧化钛中间带太阳能电池极限效率的计算57-68
• 4.1 引言57-58
• 4.2 一个中间带的情况58-64
• 4.2.1 理论部分58-61
• 4.2.2 计算部分61-64
• 4.3 二个中间带的情况64-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第五章 微量钼掺杂二氧化钛光阳极在染料敏化太阳能电电池中应用的初步研究68-74
• 5.1 引言68
• 5.2 实验部分68-69
• 5.2.1 二氧化钛浆料的制备68-69
• 5.2.2 电池器件的制备69
• 5.2.3 测试和表征69
• 5.3 结果与讨论69-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第六章 研究工作总结及展望74-77
• 6.1 研究工作总结74-75
• 6.2 展望75-77
• 参考文献77-103
• 读博期间发表的科研成果103-105
• 致谢105

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