染料敏化太阳能电池TiO_2光阳极的优化和电池性能研究

【摘要】：世界性的能源危机和环境污染促进了太阳能电池产业的快速发展。尽管硅基太阳能电池以其优异的性能获得了批量生产，但因较高的发电成本，仍需要政府的额外补贴才能推广利用。并且，近年来“双反”贸易制裁的愈演愈烈，传统太阳能电池的发展举步维艰，新型太阳能电池的研究和开发成为解决现有太阳能电池性能和成本矛盾的一个可能途径。利用原料丰富、环境友好的无机氧化物纳米材料来构筑廉价的新型太阳能电池，预期可以克服传统太阳能电池的高成本问题。 本文以染料敏化太阳能电池（DSSC）为研究对象，用水热法合成的TiO2纳米棒阵列作为DSSC光阳极，研究快速退火、腐蚀、复合和掺杂等对TiO2纳米棒的形貌、结构和DSSC光伏性能的影响。主要研究内容和结果简述如下： 1.利用水热法在FTO衬底上生长TiO2纳米棒阵列，通过改变反应浓度、反应时间、引入种子层调控TiO2纳米棒的长度、直径和分布情况，探讨TiO2纳米棒的生长机理；经过快速退火处理后，TiO2纳米棒的结晶度变好，与染料分子的结合更加牢固，提高了光俘获效率、电子注入效率和电子收集效率，从而提高了DSSC的光电转化效率。 2.将合成的TiO2纳米棒进行腐蚀处理，研究腐蚀对TiO2纳米棒形貌和电池性能的影响。研究发现，随着腐蚀时间的延长，TiO2纳米棒的长度和直径减小，光散射能力降低。而选取TiCl4钛源生长的TiO2纳米棒可以被腐蚀成管状结构，极大地提高了DSSC的短路电流密度和光电转化效率。 3.构建了TiO2纳米棒和纳米颗粒多孔膜复合的新型光阳极，这种结构结合了一维阵列高的电子迁移率、电子寿命和纳米颗粒高的比表面积两者的优势，最终获得了2.51%的电池转换效率，比单纯的纳米棒组装的电池（1.11%）提高了126%，经过进一步的TiCl4处理，电池效率提高到了3.25%。 4.对TiO2纳米棒进行Sn掺杂，研究了掺杂剂Sn对DSSC性能的影响。XRD结果显示TiO2的晶体结构几乎没有明显变化，伏安特性测试表明电池的短路电流密度和开路电压略有提高，说明Sn掺杂TiO2纳米棒对电池的性能有一定的影响。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 TiO2纳米棒阵列 腐蚀 复合 掺杂
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 DSSC 的基本结构、工作原理和性能参数11-15
• 1.1.1 DSSC 的基本结构11-12
• 1.1.2 DSSC 的工作原理12-14
• 1.1.3 DSSC 的性能参数14-15
• 1.2 DSSC 光阳极的研究进展15-22
• 1.2.1 导电衬底16-17
• 1.2.2 纳米 TiO_2多孔薄膜17-18
• 1.2.3 纳米 TiO_2阵列18
• 1.2.4 TiO_2光阳极的掺杂18
• 1.2.5 纳米 TiO_2的表面修饰18-21
• 1.2.6 复合结构21-22
• 1.3 本论文的主要研究内容22-23
• 第二章 实验部分23-31
• 2.1 实验原料与生长设备23-25
• 2.2 表征方法25-31
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）25
• 2.2.2 X 射线衍射谱（XRD）25-26
• 2.2.3 紫外-可见吸收光谱（ABS）26-27
• 2.2.4 太阳能电池光电转化效率测试系统27
• 2.2.5 太阳能电池量子效率测试系统27-28
• 2.2.6 太阳能电池电化学测试系统28-31
• 第三章 TiO_2纳米棒的制备和 DSSC 光电性能31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 实验部分31-33
• 3.2.1 TiCl_4水溶液的配置31-32
• 3.2.2 TiO_2纳米棒的制备32
• 3.2.3 DSSC 的组装32
• 3.2.4 材料表征与 DSSC 性能测试32-33
• 3.3 结果与讨论33-41
• 3.3.1 TiO_2纳米棒的形貌和结构分析33-34
• 3.3.2 浓度对 TiO_2纳米棒形貌的影响34-35
• 3.3.3 种子层对 TiO_2纳米棒生长的影响35-36
• 3.3.4 反应时间对 TiO_2纳米棒形貌和电池性能的影响36-39
• 3.3.5 快速退火处理对电池性能的影响39-41
• 3.4 小结41-43
• 第四章 腐蚀对 TiO_2纳米棒形貌及 DSSC 性能的影响43-51
• 4.1 引言43
• 4.2 实验部分43-44
• 4.2.1 TiO_2纳米棒的制备43
• 4.2.2 TiO_2纳米棒的后续腐蚀处理和电池组装43-44
• 4.2.3 材料表征与 DSSC 性能测试44
• 4.3 结果与讨论44-49
• 4.3.1 腐蚀时间对 TiO_2纳米棒形貌的影响44-45
• 4.3.2 腐蚀时间对 TiO_2纳米棒光学性能的影响45-46
• 4.3.3 腐蚀对不同钛源生长的 TiO_2纳米棒形貌的影响46-47
• 4.3.4 腐蚀对 DSSC 光电转化性能的影响47-48
• 4.3.5 电化学阻抗分析48-49
• 4.4 小结49-51
• 第五章 TiO_2纳米棒/多孔薄膜复合光阳极的制备及电池性能51-61
• 5.1 引言51
• 5.2 实验部分51-54
• 5.2.1 TiO_2浆料的制备51-52
• 5.2.2 TiO_2纳米棒/多孔薄膜复合光阳极的制备52-53
• 5.2.3 DSSC 的组装53
• 5.2.4 材料表征与 DSSC 性能测试53-54
• 5.3 结果与讨论54-59
• 5.3.1 复合光阳极的形貌和结构分析54-55
• 5.3.2 DSSC 的光电转化性能55-58
• 5.3.3 DSSC 的电化学阻抗分析58-59
• 5.4 小结59-61
• 第六章 Sn 掺杂 TiO_2纳米棒对电池性能的影响61-67
• 6.1 引言61
• 6.2 实验部分61-62
• 6.2.1 Sn 掺杂 TiO_2纳米棒光阳极的制备61-62
• 6.2.2 DSSC 的组装62
• 6.2.3 材料表征与 DSSC 性能测试62
• 6.3 结果与讨论62-66
• 6.3.1 Sn 掺杂对 TiO_2纳米棒的形貌影响62-63
• 6.3.2 Sn 掺杂 TiO_2纳米棒的微观结构分析63-64
• 6.3.3 Sn 掺杂 TiO_2纳米棒对电池性能的影响64-66
• 6.4 小结66-67
• 第七章 全文总结与展望67-69
• 7.1 总结67-68
• 7.2 展望68-69
• 参考文献69-77
• 致谢77-79
• 附录79

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