碳材料制备太阳能电池对电极的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池（简称DSSC）是一种新型的太阳能电池。自从1991问世以来，就因为其制作工艺简单、成本低和性能稳定，并且对环境良性等优点而受到了众多研究工作者的极大兴趣，具有很好应用前景，在太阳能电池研究上具有重要意义。它是一个多组分复合体系，主要由三部分组成，分别是光阳极（包括TiO2多孔薄膜以及吸附在其上的染料）、电解质和对电极。纳米晶染料敏化太阳能电池的优势就在于其廉价并具有较高的光电转换效率，而传统的纳米晶染料敏化太阳能电池的对电极材料为贵金属铂，所以为了进一步降低电池成本，人们希望找到一种高效、廉价的替换材料。 本文通过采用丝网印刷和电沉积方法利用活性碳、碳黑、石墨、富勒烯（C60）来制备染料敏化太阳能电池碳对电极。丝网印刷方法是一种比较成熟的制备工艺。电沉积方法:用丙酮10ml、无水乙醇15ml、硝酸铝1g、聚乙二醇15ml混合溶液中，加入0.5g碳粉，在外电压28V,水浴温度65℃时得到的碳薄膜对电极制备太阳能电池。用扫描电镜对碳薄膜的表观形貌进行了表征，并通过电池的短路电流(Isc)、开路电压(Voc)和填充因子（ff）等指标来检验以此对电极组装的太阳能电池的性能。 研究表明，在电沉积方法制备碳对电极时，分散剂聚乙二醇的用量和电沉积的水浴温度对电池的性能都有很大影响，在分散剂聚乙二醇的用量为15ml和水浴温度为65℃的情况下，碳薄膜的光电性能较好，Isc，Voc和ff分别为8.141mA，756mV和0.4692；碳薄膜厚度和薄膜的热处理温度对电池的性能都有很大影响，在薄膜厚度为27nm和热处理温度为400℃的情况下，碳薄膜的光电性能较好，Isc，Voc和ff分别为7.77mA，748mV和0.5467。电沉积方法制备碳膜的最大优点是碳膜在玻璃基片上有良好的附着力，这是丝网印刷技术无法比拟的,因此用电沉积制备碳对电极将会有很大的发展前景。在大量的实验中得出，活性碳是一种多孔性结构，具有很好的催化活性，可增加电极与电解质的有效接触面积，提高电极的电化学活性，是制备太阳能电池对电极的首选材料；富勒烯C60是一种新型碳材料，它是三维结构，C60光激发后易形成电子空穴对从而产生光电子转移，且具有良好的电子运输性能和电子亲和力，与碱金属原子结合能做超导材料，做太阳能电池对电极材料具有很广阔的前景。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 电沉积 富勒烯（C60） 活性碳 石墨 碳黑
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第一章 引言10-12
• 第二章 文献综述12-24
• 2.1 染料敏化太阳能电池简介12-13
• 2.2 染料敏化太阳能电池的结构及其原理13-14
• 2.2.1 染料敏化太阳能电池的结构13-14
• 2.2.2 染料敏化太阳能电池的原理14
• 2.3 染料敏化太阳能电池中描述光电性能的重要参数14-16
• 2.4 染料敏化太阳能电池各组分对电池性能的影响16-18
• 2.4.1 光阳极16
• 2.4.2 敏化染料16-17
• 2.4.3 电解质17
• 2.4.4 对电极17-18
• 2.5 染料敏化太阳能电池对电极介绍18-21
• 2.5.1 铂对电极18
• 2.5.2 镍对电极18-19
• 2.5.3 聚合物对电极19
• 2.5.4 氧化铜对电极19-20
• 2.5.5 碳对电极20-21
• 2.5.5.1 传统碳材料对电极20-21
• 2.5.5.2 新型碳材料对电极21
• 2.6 新型对电极21-22
• 2.7 DSSC 电池主要问题与发展22-23
• 2.8 本文的研究特色和创新之处23-24
• 第三章 实验24-33
• 3.1 实验药品及设备24-25
• 3.1.1 实验药品24-25
• 3.1.2 实验设备25
• 3.2 导电玻璃基片清洗25-26
• 3.3 光阳极 TiO_2薄膜的制备26-27
• 3.3.1 致密 TiO_2薄膜的制备26
• 3.3.2 TiO_2薄膜制备工艺26-27
• 3.4 染料配制与吸附27
• 3.5 电解质的制备27
• 3.6 碳薄膜的制备27-32
• 3.6.1 电沉积方法制备碳薄膜28-30
• 3.6.2 丝网印刷方法制备碳对电极30-32
• 3.7 染料敏化太阳能电池的组装32
• 3.8 分析测试方法32-33
• 3.8.1 碳粉物相分析32
• 3.8.2 碳膜的微观形貌32
• 3.8.3 碳薄膜方块电阻的测定32
• 3.8.4 碳薄膜厚度的测定32
• 3.8.5 DSSC 的性能测定32-33
• 第四章 结果与讨论33-56
• 4.1 活性碳电沉积方法制备对电极的具体工艺33-48
• 4.1.1 碳材料的物相分析33-36
• 4.1.1.1 活性碳的物相分析33-34
• 4.1.1.2 石墨的物相分析34-35
• 4.1.1.3 碳黑的物相分析35-36
• 4.1.2 碳薄膜的 SEM 表面形貌测试图36-42
• 4.1.2.1 电沉积方法碳薄膜的表面形貌36-41
• 4.1.2.2 丝网印刷方法制备的碳膜形貌分析41-42
• 4.1.3 分散剂聚乙二醇 400 对活性碳对电极太阳能电池性能的影响42-43
• 4.1.4 电沉积时水浴温度对活性碳对电极电池性能的影响43-45
• 4.1.5 薄膜厚度对电池性能的影响45
• 4.1.6 活性碳碳薄膜热处理温度对电池性能的影响45-48
• 4.2 石墨、碳黑、富勒烯（C60）电沉积方法制备太阳能电池对电极的性能分析 ..48-50
• 4.2.1 碳薄膜的厚度对电池性能的影响48-49
• 4.2.2 方块电阻对电池性能的影响49-50
• 4.3 太阳能电池对电极制备方法的选择和碳材料的选择50-56
• 4.3.1 太阳能电池对电极制备方法的选择50-53
• 4.3.2 太阳能电池对电极碳材料的选择53-56
• 第五章 结论56-57
• 参考文献57-63
• 致谢63-64
• 附录 A 作者攻读硕士期间发表的论文及成果64

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