柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备

【摘要】：柔性染料敏化太阳能电池光阳极材料的选取对电池的光伏性能有很大影响。宽禁带半导体材料TiO2纳米晶光阳极薄膜由于其具有较大的表面积可以吸附大量染料，但在低温条件下制备会导致纳米颗粒的粘结性较差，影响电池的光电性能。一维TiO2纳米管具有较好的化学稳定性及光电特性，是一种非常优异的电荷分离和传输载体，将其应用于太阳能电池光阳极材料中有望提高电池的光电性能，在TiO2纳米管基础上对其结构进行改进和完善可以进一步优化其性能。基于这一研究现状，本文制备TiO2纳米晶薄膜和TiO2纳米管薄膜柔性光阳极，分别对不同形貌的TiO2纳米材料在太阳能电池器件方面的应用进行研究和探讨。 1、采用球磨法制备TiO2纳米晶浆料，通过加入氧化石墨烯来提高浆料的粘性。在不同的氧化石墨烯含量中，氧化石墨烯质量分数1wt%的光阳极获得最高的光电转换效率1.12%。随着浆料中氧化石墨烯含量的增加，光阳极薄膜对染料的吸附量增加，电池的光电效率提高；同时氧化石墨烯含量过高时会影响染料对光的吸收作用，阻碍光阳极膜内的电子传输通道，造成电池效率降低。 2、采用两步电化学阳极氧化法，在Ti箔表面制备出排列有序的自支撑圆柱形TiO2纳米管阵列薄膜，通过控制氧化时间来控制纳米管的长度，将其应用于柔性染料敏化太阳能电池光阳极中，有利于其组装的电池采用光线由正面入射的方式，避免背光入射模式下造成的入射光损失。当纳米管长度为20μm时电池的短路电流密度(Jsc)为7.35mA/cm2，开路电压(Voc)为668mV，填充因子(FF)为0.680，光电转换效率(η)为3.44%。相对于长度为30μm的纳米管薄膜组装成的电池来说，短路电流密度提高7.6%，其光电转换效率提高11.7%。这是由于随着纳米管长度的增加，光阳极对染料的吸附量增加，进而光电转换效率增大；当纳米管长度过长时管内外会存在较多的缺陷形成电子-空穴的复合中心，增大电子空穴的复合几率，进而影响电池的光伏性能。 3、通过在阳极氧化过程中调节氧化电压，制备出具有特殊圆锥形貌的自支撑TiO2纳米管阵列薄膜。通过XRD、SEM、UV-Vis等测试手段对制备的圆锥形纳米管进行结构，形貌及吸光性能的表征。长度为14μm的圆锥形纳米管光电转换效率(η)为3.78%，相比于同长度的圆柱形纳米管，其光电转换效率提高28.6%。圆锥形纳米管相对于圆柱形纳米管有更强的光捕获能力和优异的光电性能，这主要得益于特殊的圆锥形貌。 【关键词】：柔性染料敏化太阳能电池 阳极氧化 TiO2纳米管 圆锥形
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 太阳能电池的分类和发展10-12
• 1.2.1 硅基太阳能电池10-11
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池11
• 1.2.3 有机太阳能电池11-12
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池12
• 1.3 染料敏化太阳能电池12-15
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理12-13
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池光阳极材料及其特点13-15
• 1.4 柔性染料敏化太阳能电池光阳极的研究进展15-22
• 1.4.1 柔性染料敏化太阳能电池的应用领域15-17
• 1.4.2 柔性染料敏化太阳能电池面临的挑战17-18
• 1.4.3 柔性染料敏化太阳能电池光阳极的研究现状18-22
• 1.5 论文研究的科学意义及研究的主要内容22-24
• 第2章 TiO_2纳米材料光阳极的制备及其结构与性能表征方法24-34
• 2.1 主要实验药品与仪器24-25
• 2.2 氧化石墨烯/TiO_2纳米晶柔性光阳极的制备25-26
• 2.2.1 氧化石墨烯/TiO_2浆料的制备25
• 2.2.2 氧化石墨烯/TiO_2光阳极的制备25-26
• 2.3 自支撑的 TiO_2纳米管阵列薄膜的制备过程26-29
• 2.3.1 钛片预处理26
• 2.3.2 实验方案26-29
• 2.3.3 柔性光阳极的制备29
• 2.4 柔性染料敏化太阳能电池的制备及组装29-31
• 2.4.1 染料敏化29-30
• 2.4.2 对电极的制备30
• 2.4.3 染料敏化太阳能电池的组装30-31
• 2.5 柔性染料敏化太阳能电池的结构与性能表征方法31-34
• 2.5.1 结构表征方法31-32
• 2.5.2 柔性光阳极材料的 UV-Vis 光谱分析32
• 2.5.3 染料敏化太阳能电池的光伏性能测试方法32-33
• 2.5.4 染料敏化太阳能电池电化学性能测试方法33-34
• 第3章 氧化石墨烯/TiO_2纳米晶柔性光阳极34-41
• 3.1 引言34-35
• 3.2 氧化石墨烯/TiO_2纳米晶薄膜的表征分析35-40
• 3.2.1 氧化石墨烯/TiO_2纳米晶薄膜的结构及形貌分析35-36
• 3.2.2 氧化石墨烯/TiO_2复合物的 UV-Vis 光谱分析36-38
• 3.2.3 氧化石墨烯/TiO_2光阳极膜的 J-V 分析38-40
• 3.3 本章小结40-41
• 第4章 圆柱形 TiO_2纳米管薄膜柔性光阳极41-53
• 4.1 引言41
• 4.2 圆柱形 TiO_2纳米管阵列的表征分析41-45
• 4.2.1 圆柱形 TiO_2纳米管阵列的制备及结构形貌分析41-44
• 4.2.2 圆柱形 TiO_2纳米管阵列的 UV-Vis 光谱分析44-45
• 4.3 圆柱形 TiO_2纳米管阵列薄膜在柔性染料敏化太阳能电池中的研究45-50
• 4.3.1 柔性染料敏化太阳能电池 IPCE 性能分析45-46
• 4.3.2 柔性染料敏化太阳能电池 J-V 性能分析46-48
• 4.3.3 柔性染料敏化太阳能电池 EIS 分析48-50
• 4.4 圆柱形 TiO_2纳米管阵列薄膜太阳能电池的机理研究50-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 圆锥形 TiO_2纳米管薄膜柔性光阳极53-64
• 5.1 引言53
• 5.2 圆锥形 TiO2纳米管阵列的制备及结构形貌分析53-56
• 5.3 圆锥形 TiO_2纳米管阵列在柔性染料敏化太阳能电池中的研究56-62
• 5.3.1 圆锥形纳米管染料敏化太阳能电池 J-V 性能分析56-58
• 5.3.2 圆锥形纳米管染料敏化太阳能电池 UV-Vis 性能分析58-59
• 5.3.3 圆锥形纳米管染料敏化太阳能电池 IPCE 性能分析59-60
• 5.3.4 圆锥形纳米管染料敏化太阳能电池 EIS 性能分析60-62
• 5.4 圆锥形 TiO2纳米管阵列薄膜吸光机理的研究62
• 5.5 本章小结62-64
• 第6章 结论64-66
• 参考文献66-73
• 硕士期间发表论文情况73-75
• 致谢75

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