染料敏化太阳能电池电解质的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSCs)由于其清洁廉价的优点而受到人们的广泛关注,然而这种电池目前还没有实现大规模应用。制约这种电池产业化的两个关键因素是效率和稳定性。一方面,尽管采用液态电解质的DSCs的光电转化效率(η)已经达到了11%,但是,仍然低于理论值,暗反应是制约电池效率提高的重要因素；另一方面,采用的液态电解质存在着挥发泄露的问题,严重影响了电池的稳定性。因此,抑制暗反应并提高电池的稳定性是目前亟待解决的问题。(1)就暗反应而言,注入到二氧化钛中的电子既可以在被收集到导电玻璃上以后,在导电玻璃与电解质的界面和I3-发生暗反应,又可以在二氧化钛膜上直接和I3-发生暗反应。在导电玻璃的表面沉积一层二氧化钛紧密层可以阻止电子在导电玻璃表面上发生的暗反应,而在电解质中加入添加剂可以有效的抑制发生在二氧化钛膜上的暗反应,进而提高电池效率。(2)就稳定性而言,采用准固态和全固态电解质取代液态电解质可以解决电解质的挥发和泄露问题,提高电池的稳定性。基于此,本论文开展了如下研究工作： 1.为了抑制发生在导电玻璃界面上的暗反应,用TiCl4水解的方法在导电玻璃上沉积了二氧化钛紧密层,对制备的二氧化钛紧密层用XRD、SEM、紫外可见光谱、伏安法、电化学交流阻抗的方法进行了表征和分析,并考察了其对电池性能的影响。试验结果表明制备的二氧化钛紧密层为锐钛矿相,厚度大约为100 nm,是由10-1 5nm的二氧化钛颗粒组成。伏安法和电化学交流阻抗试验表明该紧密层在低电压下可以有效阻止发生在导电玻璃表面的暗反应,这有利于电池开路电压(Voc)和填充因子(FF)的提高,使得电池的转化效率由7.5%增加到8.1%。 2.为了抑制发生在二氧化钛表面的暗反应,设计合成了一种廉价的DSCs电解质用添加剂：异烟酸烯丙酯(AIN, allyl isonicotinate)。AIN可以在室温下快速合成而不需要任何溶剂。将AIN添加在电解质中可以提高电池的开路电压、填充因子和短路电流,进而使电池的效率由6.5%提高到8.2%。阻抗的研究表明吸附在二氧化钛表面的AIN可以有效抑制发生在二氧化钛膜上的暗反应,提高电子寿命,同时AIN的吸附使得二氧化钛的导带负移了55 mV。这些都有利于电池性能的提高。 3.为了解决液态电解质的挥发和泄露问题,制备了聚丙烯酸甲酯/聚乙二醇(PMA/PEG,poly(methyl acrylate)/poly(ethylene glycol))基准固态电解质并用来组装电池。PMA/PEG共混聚合物可以吸附大量的液态电解质。在25℃,该电解质的电导率和I3-的扩散系数分别为2.1 mS cm-1和2.3×10-6cm2 s-1。采用本电解质并结合三苯胺类有机染料做敏化剂组装的DSCs在30 mW cm-2的光强下达到5.76%的转化效率。该电池在60℃下放置1000 h效率基本不变,展现了良好的稳定性。其中,PEG的存在可以有效提高电解质的电导率并提高电池的转化效率。 4.进一步制备了全固态电解质,即：烷氧基咪唑碘离子聚合物/Si02纳米复合电解质。通过优化I2、1,2-2甲基-3-丙基咪唑碘(DMPImI,1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide)和Si02纳米颗粒的含量,形成了高效电子交换通道使得电解质达到了0.151 mS cm-1的电导率。电解质进一步用差示扫描热分析仪和SEM进行表征。热分析的结果表明,制备的电解质的熔点为120℃。通过SEM可以观察到电解质和二氧化钛膜之间接触良好。用此电解质结合三苯胺类有机染料组装成的电池在100和10 mW cm-2的光强下达到了2.70%和4.12%的光电转化效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 紧密层 添加剂 准固态 全固态 电解质
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 绪论14-43
• 第一节 各类太阳能电池的原理和研究概况14-18
• 1.1.1 光伏效应14-15
• 1.1.2 各类太阳能电池的原理和研究概况15-18
• 第二节 DSCs的基本概念和原理18-19
• 第三节 DSCs中的暗反应及其对电池性能的影响19-23
• 1.3.1 DSCs中的暗反应19-21
• 1.3.2 暗反应对电池性能的影响21-23
• 第四节 DSCs电解质研究进展和存在的问题23-34
• 1.4.1 液态电解质研究进展24-29
• 1.4.2 准固态电解质的研究进展29-31
• 1.4.3 全固态电解质研究进展31-34
• 第五节 论文选题思路和主要研究内容34-35
• 参考文献35-43
• 第二章 DSCs的制备及TiO_2紧密层的研究43-62
• 第一节 引言43
• 第二节 DSCs的制备工艺43-49
• 2.2.1 仪器与药品43-44
• 2.2.2 光阳极的制备44-46
• 2.2.3 光阴极的制备46-47
• 2.2.4 电解质的配置47
• 2.2.5 电池组装47-48
• 2.2.6 DSCs的测试及测试原理48-49
• 第三节 TiO_2紧密层性能的研究49-59
• 2.3.1 引言49
• 2.3.2 实验部分49-50
• 2.3.3 结果与讨论50-59
• 第四节 本章小结59-60
• 参考文献60-62
• 第三章 DSCs电解质添加剂的研究62-84
• 第一节 引言62-64
• 第二节 实验部分64-69
• 3.2.1 仪器与药品64
• 3.2.2 AIN的合成和表征64-66
• 3.2.3 电池的组装和电解质的配制66
• 3.2.4 试验方法66-68
• 3.2.5 理论计算68-69
• 第三节 结果与讨论69-80
• 3.3.1 光谱分析69-70
• 3.3.2 循环伏安法对添加剂的研究70-71
• 3.3.3 电池性能71-73
• 3.3.4 电化学方法对DSCs的研究73-78
• 3.3.5 AIN对导带移动的进一步研究78-79
• 3.3.6 初步的理论计算79-80
• 第四节 本章小结80-81
• 参考文献81-84
• 第四章 DSCs准固态电解质的研究84-104
• 第一节 引言84-85
• 第二节 实验部分85-89
• 4.2.1 仪器与药品85-86
• 4.2.2 PMA/PEG共混聚合物及准固态电解质的制备86-87
• 4.2.3 电池的组装87-88
• 4.2.4 测试方法88-89
• 第三节 结果与讨论89-102
• 4.3.1 PMA/PEG共混聚合物热分析89
• 4.3.2 准固态电解质的优化和表征89-94
• 4.3.3 电池性能94-101
• 4.3.4 电池稳定性测试101-102
• 第四节 本章小结102
• 参考文献102-104
• 第五章 DSCs全固态电解质的研究104-125
• 第一节 引言104-106
• 第二节 实验部分106-110
• 5.2.1 仪器与药品106-107
• 5.2.2 二氧化硅制备和表征107-108
• 5.2.3 全固态AIIP/SiO_2纳米复合电解质的制备108-109
• 5.2.4 染料的合成和表征109-110
• 5.2.5 电池的组装110
• 5.2.6 测试方法110
• 第三节 结果与讨论110-122
• 5.3.1 电解质的优化和表征110-118
• 5.3.2 DSCs性能研究118-122
• 第四节 本章小结122-123
• 参考文献123-125
• 第六章 结论与展望125-128
• 致谢128-129
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果129-130

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