染料敏化太阳能电池新型电解质制备及性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)自问世以来，由于其制作工艺简单、理论转换效率较高、环境友好等优点引起了科学界的研究热潮。随着科学技术日益发展，染料敏化太阳能电池依然存在诸如液态电解质的有机溶剂易挥发泄漏、电池难封装、电池稳定性差、使用寿命短等问题；以及固态电解质电导率低、电池转换效率较低、衰减较快、电解质与光阳极接触性差等问题。 本论文是针对液态电解质中有机溶剂易挥发泄漏以及电池稳定性较差等问题，设计合理的复合有机溶剂以减少溶剂的挥发泄漏，从而提高电池的稳定性能。以I3-/I-为氧化还原电对体系，环丁砜与3-甲氧基丙腈混合溶液作为电解质溶剂，4-叔丁基吡啶为添加剂制备液体电解质。利用紫外-可见分光光度计对电解质中I3-/I-氧化还原电对进行表征，电导率仪对电解质的电导率进行表征，分光光度计对电池的单色光电转换效率(IPCE)进行表征，以太阳能模拟器对电池的I-V曲线以及电池稳定性能进行表征。并探讨了环丁砜对电解质电导率、电池光电转换效率以及电池稳定性的影响。 结果表明环丁砜与3-甲氧基丙腈混合溶液作为电解质的溶剂不影响电解质中I3-/I-氧化还原电对的存在；3-甲氧基丙腈与环丁砜体积比为3:2时电解质组装的电池光电性能最好，光电转换效率达到2.79%，短路电流达到7.58mA/cm2。与未加环丁砜试样相比，短路电流提高了24.5%；环丁砜作为DSSC电解质溶剂，能显著改善电池电解质的挥发泄露，减少了3-甲氧基丙腈以及4-叔丁基吡啶的挥发，确保了氧化还原电对的有效浓度，大大改善电池的稳定性能。 在针对固态电解质与光阳极的接触性差等问题上，探索新型的有机添加剂，以提高电解质与阳极表面的空隙填充及电接触性能。实验以CuSCN、环丁砜、1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘(DMPII)、PEDOT:PSS为原料制备了染料敏化太阳能电池固体电解质。采用XRD对CuSCN粉体进行表征，通过测试电池的IPCE以及I-V曲线来对固体电解质的性能进行表征；并探讨了环丁砜对电池光电性能的影响，同时对电池稳定性能进行了考察。 结果表明，环丁砜在p-型半导体CuSCN固体电解质中的应用是可行的；电解质能较好的改善与电极的电接触，且环丁砜能对CuSCN晶体表面具有一定的修饰作用，能较好地降低TiO2半导体-电解质界面电荷复合，使电池稳定性得到一定的提高；环丁砜引入染料敏化太阳能电池固体电解质中，电池的光电性能及稳定性能均得到了一定的改善；当环丁砜加入量为0.18g、CuSCN粉体为0.25g时，DSSC短路电流密度为3.92mA/cm2，开路电压为0.42V，光电转换效率为0.86%，且电池性能较稳定。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 环丁砜 液态电解质 固态电解质 CuSCN 光电转换效率
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 引言11-13
• 第二章 文献综述13-32
• 2.1 染料敏化太阳能电池研究历程13-14
• 2.2 染料敏化太阳能电池简介14-17
• 2.2.1 染料敏化太阳能电池结构14-15
• 2.2.2 染料敏化太阳能电池工作原理15-17
• 2.3 染料敏化太阳能电池制作与测试17-20
• 2.3.1 染料敏化太阳能电池的制作简介17-18
• 2.3.2 染料敏化太阳能电池的测试18-20
• 2.3.2.1 DSSC 单射光光电转换效率18-19
• 2.3.2.2 染料敏化太阳能电池 I–V 曲线19-20
• 2.4 DSSC 光阳极的研究进展20-21
• 2.5 DSSC 敏化染料的研究21-22
• 2.6 DSSC 对电极的研究进展22-23
• 2.7 DSSC 电解质的研究进展23-30
• 2.7.1 液态电解质的研究进展23-27
• 2.7.1.1 有机溶剂液态电解质23-25
• 2.7.1.2 离子液体基质液态电解质25-27
• 2.7.2 准固态电解质的研究进展27-28
• 2.7.3 固态电解质的研究进展28-30
• 2.7.3.1 无机 P 型半导体材料28-29
• 2.7.3.2 有机空穴传输材料29
• 2.7.3.3 导电高聚物29-30
• 2.8 存在问题及发展趋势30-31
• 2.9 选题的目的和意义31-32
• 第三章 实验32-41
• 3.1 实验药品及仪器32-33
• 3.1.1 实验药品32-33
• 3.1.2 实验仪器33
• 3.2 TiO_2光阳极的制备33-37
• 3.2.1 导电玻璃基底预处理34
• 3.2.2 致密 TiO_2薄膜的制备34-35
• 3.2.3 TiO_2多孔薄膜电极的制备35-37
• 3.3 染料的制备37
• 3.4 电解质的制备37-38
• 3.4.1 LiI/I2液体电解质的制备37
• 3.4.2 固体电解质的制备37-38
• 3.4.2.1 CuSCN 粉体的制备37-38
• 3.4.2.2 CuSCN 固体电解质的制备38
• 3.5 对电极的制备38
• 3.6 电池组装38-39
• 3.6.1 液态电解质 DSSC 的组装38
• 3.6.2 固态电解质 DSSC 的组装38-39
• 3.7 分析测试39-41
• 3.7.1 液态电解质 I-3/I-的表征39
• 3.7.2 液态电解质电导率测试39
• 3.7.3 X 射线衍射分析39
• 3.7.4 CuSCN 粉体的粒径分析39
• 3.7.5 光电性能测试39-40
• 3.7.6 IPCE 性能分析40
• 3.7.7 电池稳定性能分析40-41
• 第四章 结果与讨论41-58
• 4.1 环丁砜在液体电解中的应用分析41-48
• 4.1.1 UV-Vis 吸收光谱表征41-42
• 4.1.2 环丁砜对电解质电导率的影响42-43
• 4.1.3 DSSC 光电性能分析43-45
• 4.1.4 环丁砜电解质对电池稳定性的影响45-47
• 4.1.5 环丁砜在液体电解质中的应用小结47-48
• 4.2 环丁砜在固体电解质中的应用48-58
• 4.2.1 CuSCN 晶体结构分析48-49
• 4.2.2 CuSCN 粉体粒度分析49-51
• 4.2.3 环丁砜对电池性能的影响51-53
• 4.2.4 环丁砜对电池 IPCE 性能的影响53-54
• 4.2.5 环丁砜与 CuSCN 粉体复合对电池性能影响54-55
• 4.2.6 电池稳定性能分析55-57
• 4.2.7 环丁砜在固体电解质中的应用小结57-58
• 第五章 结论58-59
• 参考文献59-66
• 致谢66-67
• 附录A 作者攻读硕士期间发表的论文及成果67

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