磁性纳米材料改性及其对琼脂糖基染料敏化太阳能电池性能的影响

【摘要】：摘要：大力开发太阳能电池技术是解决现阶段世界能源危机的有效途径。染料敏化太阳能电池(DSSCs)是一种成本低、制备工艺简单、环境友好的新型太阳能电池,近几年其光电效率迅速提升成为新的研究热点。以琼脂糖作为准固态电解质染料敏化太阳电池的基质有利于电解质电导的提高以及DSSCs光电效率的提升。本文主要从以下四个方面对琼脂糖基DSSCs进行了优化： 1、探索聚乙二醇(PEG200)浓度对四氧化三铁(Fe304)磁性聚合物电解质电化学性能影响：随着PEG200浓度的增加,聚合物电解质的离子电导是先增加后降低,最大离子电导值2.88×10-3S cm-1出现在PEG200浓度为61.8wt%时。当PEG200加入量过大(61.8wt%)时,琼脂糖聚合物骨架结构被破坏,从而使得电解质体系的离子电导率降低。随着PEG200浓度增加染料敏化太阳能电池的电子寿命和复合电阻均呈现出先增加后降低的趋势,最大值均出现在68.3wt%处。综合考虑,最终选取68.3wt%的PEG200为最佳的改性浓度。 2、研究不同表面活性剂对Fe304磁性聚合物电解质电池性能的影响：十二烷基硫酸钠(SDS)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG200)、土温-80(TW-80)的加入都能明显提高Fe304改性磁性聚合物电解质的离子电导率,其中TW-80改性的磁性聚合物电解质的离子电导率最高,达到2.98×10-3S cm-1。四种表面活性剂改性后染料敏化太阳能电池的电子寿命、电荷传输电阻和电荷复合电阻都有所增加。并且,四种表面活性剂改性后染料敏化太阳能电池的光电效率也显著提升,最适宜改性剂为TW-80,改性后的磁性聚合物染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到1.83%。 3、探索磁场强度对氧化镍(NiO)磁性聚合物电解质电池性能的影响：在35mT磁场制备条件下电解质的离子电导率最高,达到5.01×10-3S cm-1,并且电解质在二氧化钛多孔薄膜中的孔穴填充性能相比于没有磁场处理的电解质都得到了有效改善。DSSCs的光电效率随着磁场强度从0增加到35mT改善显著,25mT和35mT磁场强度处理下的电池的光电效率分别为2.95%和2.94%。交流阻抗表征进一步揭示了电池中电荷复合电阻和离子扩散电阻变化的机理。优化后的用于琼脂糖磁性聚合物电解质DSSCs的磁场强度为35mT。 4、研究四氧化三钴(C0304)浓度对在磁场和非磁场条件下制备琼脂糖基聚合物电解质电池性能的影响：在不加磁场条件下,适当的纳米C0304颗粒的加入有利于电解质中盐的解离,增加了电解质中自由离子的浓度,有利于离子电导率、电流密度和光电效率的增加,最佳的C0304改性浓度为3wt%。经过35mT磁场处理后,电解质的离子电导率和渗透性相比于未经磁场处理的电解质得到明显的改善,但Pt/电解质界面的电荷传输电阻有一定程度的增加。磁场条件下制备电池的最适宜的C0304改性浓度同样为3wt%。该浓度下,在磁场条件下制备的DSSCs的光电效率为1.72%,不加磁场条件下制备的DSSCs的光电效率仅为1.44%。 【关键词】：琼脂糖聚合物电解质 磁性纳米材料 四氧化三铁 氧化镍 四氧化三钴 外加磁场 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;O631.23
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 太阳能电池的研究背景11-12
• 1.2 太阳能电池的种类12-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池13-15
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的结构14
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的工作机理14-15
• 1.4 TiO_2光阳极15-17
• 1.5 染料敏化剂17-20
• 1.5.1 钌的有机络合物17-18
• 1.5.2 卟啉染料18-19
• 1.5.3 有机染料19-20
• 1.6 电解质20-24
• 1.6.1 液态电解质20-21
• 1.6.2 准固态电解质21-22
• 1.6.3 固态电解质22-24
• 1.7 本论文的选题背景及主要研究内容24-26
• 1.7.1 选题背景24
• 1.7.2 研究内容24-26
• 第二章 磁性聚合物电解质聚乙二醇改性及其电化学性能研究26-35
• 2.1 研究背景26
• 2.2 实验过程26-29
• 2.2.1 PEG_(200)改性的磁性聚合物电解质溶液的制备26-27
• 2.2.2 TiO_2光阳极的制备27-28
• 2.2.3 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的组装28
• 2.2.4 表征方法28-29
• 2.3 结果与讨论29-33
• 2.3.1 不同PEG_(200)浓度下琼脂糖磁性聚合物电解质表面形貌分析29-30
• 2.3.2 不同PEG_(200)浓度下琼脂糖磁性聚合物电解质离子电导率分析30-31
• 2.3.3 不同PEG_(200)浓度下的琼脂糖基磁性聚合物电解质染料敏化半电池交流阻抗的分析31-33
• 2.4 本章小结33-35
• 第三章 磁性聚合物电解质表面活性剂改性及其对染料敏化太阳能电池性能的影响35-46
• 3.1 研究背景35
• 3.2 实验过程35-37
• 3.2.1 表面活性剂改性的磁性聚合物电解质溶液的制备35
• 3.2.2 TiO_2光阳极的制备35-36
• 3.2.3 染料敏化太阳能电池(DSSC)的组装36
• 3.2.4 表征方法36-37
• 3.3 结果与讨论37-44
• 3.3.1 不同表面活性剂改性下磁性聚合物电解质红外光谱分析37-39
• 3.3.2 不同表面活性剂改性下磁性聚合物电解质表面形貌分析39-40
• 3.3.3 不同表面活性剂改性下磁性聚合物电解质离子电导率分析40-41
• 3.3.4 不同表面活性剂改性下磁性聚合物染料敏化太阳能电池交流阻抗分析41-43
• 3.3.5 不同表面活性剂改性下磁性聚合物染料敏化太阳能电池光电性能分析43-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 磁场强度对氧化镍改性琼脂糖电解质染料敏化太阳能电池光电性能影响46-56
• 4.1 研究背景46
• 4.2 实验过程46-49
• 4.2.1 氧化镍改性琼脂糖电解质溶液的制备46
• 4.2.2 TiO_2光阳极的制备46-47
• 4.2.3 实验室稳定磁场的的搭建47
• 4.2.4 染料敏化太阳能电池(DSSC)的组装47-48
• 4.2.5 表征方法48-49
• 4.3 结果与讨论49-55
• 4.3.1 磁场对NiO改性琼脂糖电解质膜的表面形貌的影响49-50
• 4.3.2 磁场对NiO改性琼脂糖电解质离子电导率的影响50-51
• 4.3.3 外加磁场对基于NiO改性磁性聚合物电解质DSSCs作用机理图51
• 4.3.4 磁场对NiO改性琼脂糖电解质空隙填充性能的影响51-52
• 4.3.5 磁场对NiO改性琼脂糖电解质DSSC光电性能和电化学性能的影响52-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 磁场对四氧化三钴改性琼脂糖电解质染料敏化太阳能电池光电性能影响56-67
• 5.1 研究背景56
• 5.2 实验过程56-58
• 5.2.1 氧化钴改性的磁性聚合物电解质溶液的制备56
• 5.2.2 TiO_2光阳极的制备56-57
• 5.2.3 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的组装57
• 5.2.4 表征方法57-58
• 5.3 结果与讨论58-66
• 5.3.1 不同浓度Co_3O_4改性琼脂糖电解质膜在磁场和非磁场作用下的表面形貌对比58-60
• 5.3.2 磁场作用下不同浓度Co_3O_4改性琼脂糖电解质染料敏化太阳能电池的截面分析60-61
• 5.3.3 不同浓度Co_3O_4改性琼脂糖电解质紫外图谱研究61
• 5.3.4 不同浓度Co_3O_4改性琼脂糖电解质膜在磁场和非磁场作用下的离子电导率对比61-62
• 5.3.5 不同浓度Co_3O_4改性琼脂糖电解质在磁场和非磁场作用下的光电性能对比62-66
• 5.4 本章小结66-67
• 第六章 结论与展望67-70
• 6.1 结论67-68
• 6.2 展望68-70
• 参考文献70-79
• 攻读学位期间主要的研究成果目录79-80
• 致谢80

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