TiO_2基染料敏化太阳能电池光阳极制备及性能

【摘要】：随着经济发展和科技进步,人们对能源的需求量不断增加。然而,传统化石能源的储量有限,其燃烧和利用对自然环境造成了污染甚至威胁到了人类的生命安全。太阳能作为一种储量大、无污染的可再生能源受到了全世界的广泛关注。在现有的几种太阳能电池中,染料敏化太阳能电池(DSSC)因其制备工艺简单,投资成本低,对环境污染小的特点引起了各国研究者的重视。光阳极作为染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分,其性能变化直接影响到染料的吸附能力,光捕获能力和电子传输能力,进而影响了电池的能量转换效率。现阶段使用最多的Ti02纳米晶颗粒薄膜虽然具有很高的比表面积,但是其颗粒之间的接触界面过多,使得界面处的电子复合较为严重,电子的传输路径较长,这直接影响了染料敏化太阳能电池最终的转换效率。同时,由于Ti02纳米颗粒薄膜的制备过程通常是采用涂敷法和丝网印刷法,这就使得薄膜与导电基底(FTO)的结合力不够,从而限制了制备技术的发展。相比而言,一维结构的Ti02纳米薄膜能够有效的分离电荷,并为电子传输过程提供直接的传输路径。同时,一维结构的有序阵列薄膜能够有效地减少界面接触,从而减少电子复合,提高电池效率。然而传统的单层阵列薄膜的表面积和比表面积都较小,这直接影响了其染料吸附量,使其转换效率难以提升。据此,本文通过刻蚀法来改变薄膜形貌,进而提高DSSC的转换效率,主要内容如下： 首先使用盐酸溶液对已制得的单层纳米棒阵列薄膜进行刻蚀并利用控制变量法分别研究反应温度,反应时间和盐酸浓度对薄膜性能的影响。研究发现,刻蚀反应在初始阶段速度最快,随着反应的进行,反应速度逐渐减慢。提高反应温度能增加刻蚀反应的速度。盐酸浓度的增加对刻蚀反应的影响最大,对薄膜光电转换性能的影响也最大。反应时间过长,反应温度过高,盐酸浓度过高都会导致薄膜的脱落。单层薄膜的转换效率从未刻蚀前的1%增加到了刻蚀后的1.8%。 其次,为了使刻蚀反应更加充分地进行,引入了Ti02种子层来提高薄膜和导电基底的结合力。同时增加前驱体浓度和改变FTO浓度,制备出了一种双层结构的薄膜并用盐酸溶液对其进行刻蚀。通过SEM测试发现在刻蚀过程中,双层结构上层的纳米棒团簇逐渐转变为纳米管团簇,而下层的纳米棒阵列转变成了直径更小的纳米线阵列。DSSC的转换效率也从未刻蚀前的0.94提高到了4.13%。刻蚀过程中上、下两层的形貌变化主要因为金红石相纳米棒的各向异性以及纳米棒外壁和内部纳米线之间的表面活性不同。 最后,为了进一步提高DSSC的转换效率,本文用TiCl4溶液对刻蚀后的双层结构薄膜进行了改性处理。实验发现随着浸泡时间的增加,纳米管团簇表面会逐渐形成绒毛状的Ti02,提高了短路电流密度,使得DSSC的转换效率达到5.25%,比未刻蚀前提高了27%。处理时间过长,表面附有绒毛状Ti02的纳米管团簇会转变成具有许多分枝结构的纳米棒团簇,大量的界面接触会使得电子复合较为严重,反而使得短路电流密度降低。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 双层结构TiO_2薄膜 刻蚀法 TiCl_4改性 转换效率
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-24
• 1.1 研究背景9-12
• 1.1.1 现有太阳能电池介绍9-10
• 1.1.2 染料敏化太阳能电池(DSSC)的结构10-11
• 1.1.3 染料敏化太阳能电池的工作原理11-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSSC)的研究进展12-21
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池光阳极12-19
• 1.2.2 敏化剂19-20
• 1.2.3 电解质20-21
• 1.2.4 对电极21
• 1.3 当前DSSC存在的问题及解决方法21-22
• 1.4 本论文的研究意义及内容22-24
• 1.4.1 研究意义22
• 1.4.2 研究内容22
• 1.4.3 本文的创新点22-23
• 1.4.4 技术路线23-24
• 第2章 染料敏化太阳能电池的表征方法24-27
• 2.1 引言24
• 2.2 制备产物的表征方法24-26
• 2.2.1 SEM表征24
• 2.2.2 XRD表征24
• 2.2.3 光电性能表征24-25
• 2.2.4 固体紫外可见吸收光谱测试25
• 2.2.5 液体紫外可见吸收光谱测试25
• 2.2.6 染料吸附量的测定25
• 2.2.7 金相显微镜表征25-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第3章 刻蚀法制备TiO_2单层薄膜及其表征27-35
• 3.1 引言27
• 3.2 实验药品及仪器27-28
• 3.3 实验步骤28-29
• 3.3.1 导电玻璃的预处理28
• 3.3.2 TiO_2阵列薄膜的制备28
• 3.3.3 刻蚀法制备TiO_2单层薄膜28-29
• 3.3.4 DSSC的组装29
• 3.4 结果与讨论29-34
• 3.4.1 光电转换性能测试29-32
• 3.4.2 SEM分析32-33
• 3.4.3 单层阵列薄膜的刻蚀机理33-34
• 3.5 本章小结34-35
• 第4章 两步水热法制备新型双层TiO_2薄膜35-48
• 4.1 引言35
• 4.2 实验药品、仪器35-36
• 4.3 实验步骤36-37
• 4.3.1 样品的预处理及TiO_2种子层的制备36
• 4.3.2 初次水热过程TiO_2薄膜的制备36
• 4.3.3 刻蚀法制备双层TiO_2薄膜36
• 4.3.4 DSSC的组装36-37
• 4.4 结果与讨论37-46
• 4.4.1 金相显微镜表征37
• 4.4.2 SEM表征37-41
• 4.4.3 XRD表征41
• 4.4.4 双层结构薄膜的形成机理分析41-42
• 4.4.5 光电性能测试42-43
• 4.4.6 固体紫外光谱分析43-44
• 4.4.7 染料吸附量测试44-46
• 4.5 本章小结46-48
• 第5章 染料敏化太阳能电池的改性处理48-53
• 5.1 引言48
• 5.2 实验药品及仪器48-49
• 5.3 实验步骤49-50
• 5.3.1 配置TiCl_4溶液49
• 5.3.2 双层薄膜的改性处理49
• 5.3.3 DSSC的组装49-50
• 5.4 结果与讨论50-52
• 5.4.1 SEM测试50-51
• 5.4.2 光电性能测试51-52
• 5.5 本章小结52-53
• 第6章 结论与展望53-55
• 6.1 结论53-54
• 6.2 展望54-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-63
• 附录63-64
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果64

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