新型高效叠层及复合染料敏化太阳能电池研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSC)是模拟自然界光合成原理的种新型光伏电池。具有理论光电转换效率高、成本低、制作工艺简单等优点,受到了国内外研究者的广泛关注。虽然其理论光电转换效率被推测为33-36%,但是迄今为止报道的最高效率为11～13%,尚待进一步提高。很多研究者对如何提高光电转换效率进行了广泛研究。其中提高光利用率、拓宽DSC吸收光谱是提高DSC效率的重要手段之一。叠层及复合DSC作为拓宽电池吸收光谱的两种有效的方式,不仅可有效克服协同敏化存在的染料分了问不利的竞争吸附和相互作用,而且以其结构灵活多样、可获得较高开路电压(Voc)或短路电流密度(Jsc)等优点成为国际研究的前沿课题。此外,目前制约叠层DSC光电转换效率大幅提高的因素是未成功开发出高效的器件结构和近红外染料。关于复合DSC的研究报道还比较少,且具有效率不高、制作过程繁琐等不利因素,在一定程度上限制了其应用。针对目前应用于DSC的近红外染料存在的近红外光利用不允分、吸收范围窄、效率低等问题,需开发具有强、宽近红外吸收的染料。因此,本论文的研究重点是设计研究新型高效的叠层及复合DSC,探索具有强、宽近红外吸收的染料应用于DSC。 本论文首先设计构建了以下三种不同结构的叠层DSC：四电极交叉式、四电极背靠背式及三电极面对面式,系统研究了三种叠层DSC的性能、顶层及底层电池效率的影响因素。证实了叠层DSC短路电流密度及效率的叠加特件。叠层DSC中顶层电池光阳极及对电极是影响顶层电池效率的主要因素。底层电池效率则受不同结构叠层DSC透光率、顶层光阳极透光率及对电极等因素影响。叠层DSC整体效率约为顶层和底层电池效率之和。 其次设计开发了一种基于膜转移方法的新型复合DSC,对其进行了高效化、结构有效性等研究,并对染料间相互作用及Voc机理作了初步探讨。研究发现新型复合结构有效拓宽了电池的吸收光谱,其单色光光电转换效率(IPCE)及Jsc为复合光阳极两部分值的叠加,获得了11.05%的效率,充分证实了复合结构的有效性。通过光电化学性质研究分析了复合DSC获得较高Voc的原因TiO2/染料/电解质界面的背反应等。最后,将复合DSC与叠层DSC、染料协同敏化电池进行了对比,结果表明新型复合DSC具有最高的光电转换效率。这部分是本论文的核心部分,开发的复合电池为新型结构,有效实现了光谱的扩展及效率的大幅提高。 最后设计合成了四种具有不同取代基的硫代双烯镍配合物,对其进行了表征,系统研究了化合物的结构特性、热稳定性、电化学、光化学等性质。研究表明合成的硫代双烯镍配合物具有较好的热稳定性,在700～1100 nm具有较强吸收,具有较高的摩尔消光系数。取代綦效应及溶剂效应均对λmax产生影响。通过施加偏压,对硫代双烯镍配合物的各种价态进行了归属。电化学研究结果表明硫代双烯镍配合物具有良好的可逆氧化还原特性。使用密度泛函理论(DFT)计算了化合物的能级及电子云分布。将硫代双烯镍配合物应用于DSC,证实了此类近红外染料应用于DSC的可行性。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 叠层 复合 近红外染料 硫代双烯镍
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 引言13-14
• 1 太阳能与太阳能电池14-25
• 1.1 引言14-15
• 1.2 可再生能源15-17
• 1.3 太阳能17-22
• 1.3.1 基本介绍17-18
• 1.3.2 太阳光谱18
• 1.3.3 太阳辐射和太阳常数18-19
• 1.3.4 我国太阳能资源分布19-21
• 1.3.5 太阳能利用现状21-22
• 1.4 太阳能电池22-25
• 1.4.1 太阳能电池发展简介22
• 1.4.2 太阳能电池定义与分类22-23
• 1.4.3 太阳能电池发展现状及趋势23-25
• 2 染料敏化太阳能电池(DSC)25-61
• 2.1 引言25
• 2.2 基本结构及工作原理25-28
• 2.3 DSC性能指标及评价方法28-32
• 2.3.1 开路电压(Voc)28
• 2.3.2 短路电流密度(Jsc)28-29
• 2.3.3 光电流密度-光电压曲线(I-V)29-30
• 2.3.4 光电转换效率(η)30
• 2.3.5 单色光光电转换效率(IPCE)30-31
• 2.3.6 电化学阻抗谱(EIS)31-32
• 2.4 DSC研究总体概况32-35
• 2.4.1 纳米半导体32-33
• 2.4.2 电解质33-34
• 2.4.3 对电极34
• 2.4.4 染料34-35
• 2.5 DSC高效化研究状况35-59
• 2.5.1 染料协同敏化37-39
• 2.5.2 叠层DSC39-47
• 2.5.2.1 传统叠层DSC39-44
• 2.5.2.2 N-P型叠层DSC44-46
• 2.5.2.3 DSC与异种太阳能电池叠加46-47
• 2.5.3 复合DSC47-50
• 2.5.4 用于DSC的近红外染料50-59
• 2.5.4.1 酞菁染料50-53
• 2.5.4.2 菁染料53-56
• 2.5.4.3 改进型钌染料56
• 2.5.4.4 混合型染料56-59
• 2.6 本论文选题依据、课题研究内容及意义59-61
• 3 叠层DSC的设计制作及光电性能研究61-81
• 3.1 引言61
• 3.2 三种叠层DSC的设计与结构61-63
• 3.3 三种叠层DSC的制作与测试63-69
• 3.3.1 材料、试剂与仪器63-64
• 3.3.1.1 材料63
• 3.3.1.2 试剂63
• 3.3.1.3 仪器63-64
• 3.3.2 电池制作64-68
• 3.3.2.1 导电玻璃预处理64
• 3.3.2.2 P25浆料的制备64-65
• 3.3.2.3 TiO_2薄膜的制备65
• 3.3.2.4 TiO_2薄膜的敏化65-66
• 3.3.2.5 对电极的制备66
• 3.3.2.6 电池组装66-68
• 3.3.3 光电性能测试68-69
• 3.4 三种叠层DSC光电性能研究69-80
• 3.4.1 叠层DSC的性质69-73
• 3.4.1.1 短路电流密度、效率叠加特性研究71-73
• 3.4.1.2 开路电压特性研究73
• 3.4.2 顶层电池效率影响因素73-76
• 3.4.2.1 相同结构不同光阳极的影响73-75
• 3.4.2.2 不同结构中对电极的影响75-76
• 3.4.3 底层电池效率影响因素76-79
• 3.4.3.1 不同结构透光率的影响76-78
• 3.4.3.2 不同顶层光阳极透光率的影响78
• 3.4.3.3 不同结构中对电极的影响78-79
• 3.4.4 叠层DSC整体效率影响因素79-80
• 3.5 本章小结80-81
• 4 新型复合DSC的设计制作及光电性能研究81-105
• 4.1 引言81
• 4.2 新型复合DSC的设计与结构81-83
• 4.3 新型复合DSC的制作与性能测试83-87
• 4.3.1 材料、试剂与仪器83-84
• 4.3.1.1 材料83
• 4.3.1.2 试剂83-84
• 4.3.1.3 仪器84
• 4.3.2 电极制作及电池组装84-86
• 4.3.2.1 复合光阳极的制备84-86
• 4.3.2.2 对电极的制备及电池组装86
• 4.3.3 光电性能测试86-87
• 4.4 膜转移方法制备复合光阳极87-88
• 4.5 复合光阳极膜性能研究88-89
• 4.6 新型复合DSC光电性能研究89-102
• 4.6.1 叠加性质研究89-93
• 4.6.2 高效化研究93-95
• 4.6.3 结构有效性研究95-97
• 4.6.4 染料间相互作用研究97-99
• 4.6.5 开路电压研究99-100
• 4.6.6 机理研究100-102
• 4.7 复合DSC与叠层DSC、协同敏化电池对比分析102-104
• 4.8 本章小结104-105
• 5 近红外染料的开发及其应用于DSC的研究105-132
• 5.1 引言105
• 5.2 染料的设计合成及表征105-112
• 5.2.1 试剂仪器105-106
• 5.2.2 测试方法106-107
• 5.2.3 染料应用器件组装107-108
• 5.2.3.1 DSC的制作107
• 5.2.3.2 近红外滤光片的制作107-108
• 5.2.4 染料的设计与合成路线108-109
• 5.2.5 染料的合成与表征109-112
• 5.2.5.1 双(1,2-二苯乙烯-1,2-二硫戊杂环)镍配合物A109-110
• 5.2.5.2 双(1,2-二对甲苯乙烯-1,2-二硫戊杂环)镍配合物B110-111
• 5.2.5.3 双(1,2-二对甲酯基苯乙烯-1,2-二硫戊杂环)镍配合物C111
• 5.2.5.4 双(1,2-二对羧基苯乙烯-1,2-二硫戊杂环)镍配合物D111-112
• 5.3 结构特性112-118
• 5.3.1 单晶结构112-117
• 5.3.2 晶体堆积117-118
• 5.4 热稳定性118-119
• 5.5 光化学性质119-123
• 5.5.1 IR119
• 5.5.2 紫外-可见-近红外吸收光谱119-123
• 5.5.2.1 取代基效应119-120
• 5.5.2.2 溶剂效应120-122
• 5.5.2.3 染料在TiO_2膜上的吸收光谱122-123
• 5.5.3 光谱电化学123
• 5.6 电化学123-127
• 5.6.1 循环伏安(CV)123-126
• 5.6.2 差示脉冲伏安(DPV)126-127
• 5.7 密度泛函理论计算(DFT)127-128
• 5.8 应用128-130
• 5.8.1 DSC128-129
• 5.8.2 近红外滤光片129-130
• 5.8.3 近红外防伪油墨130
• 5.8.4 应用展望130
• 5.9 本章小结130-132
• 结论132-134
• 参考文献134-145
• 附录A 名词缩写145-146
• 附录B 试剂缩写146-147
• 附录C 部分染料结构式147-149
• 创新点摘要149-150
• 作者简介150
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况150-154
• 致谢154-155

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