染料敏化太阳能电池光阳极及其优化研究

【摘要】：由于硅太阳能电池的高成本、操作复杂，因此必须研制一种可替代它的新型太阳能电池。染料敏化太阳能电池(DSSCs)以其低成本、无毒、操作简单以及高光电转换效率等优点得到迅速发展，有望代替硅太阳能电池而成为未来太阳能产业中的主导。本论文着重研究了DSSCs的制备工艺和基于SiO_2/TiO_2复合薄膜的染料敏化太阳能电池的光电性能，并对该复合薄膜进行了TiCl_4表面处理和优化： (1)基于商业P25的染料敏化电池制备工艺的优化 通过传统工艺制备了基于商业P25粉末的纳米TiO_2浆料，并将其丝网印刷至FTO导电玻璃上。经过高温焙烧、染料敏化后，得到多孔纳米晶TiO_2薄膜。通过XRD、SEM、紫外-可见吸收光谱以及电池的J-V曲线测试分析，研究了薄膜厚度、焙烧温度、焙烧曲线和敏化时间对光阳极薄膜结构、形貌和电池光电特性的影响。 (2)基于SiO_2/TiO_2复合薄膜的染料敏化太阳能电池的研究 通过将纳米SiO_2分散到P25中，制备出七种掺杂比的SiO_2/TiO_2复合浆料，并采用丝网印刷法印刷在FTO导电玻璃上制备光阳极，再组装成染料敏化太阳能电池。通过XRD、Roman、SEM、TEM、FT-IR、孔隙分布和紫外-可见吸收光谱测试分析，研究纳米SiO_2的掺入及掺杂量对光阳极薄膜结构、形貌和DSSCs光电性能的影响。结果表明：SiO_2/TiO_2复合薄膜中颗粒分布均匀，且复合薄膜与FTO导电玻璃的粘合性增强；当SiO_2与P25的质量掺杂比为7.5%时，DSSCs的转换效率最高(η=8.4%)，电池的Jsc为18.72mA/cm2，Voc为0.78V，FF为57.39%，比纯纳米晶TiO_2电池的效率提高了45%。 (3)TiCl_4溶液处理SiO_2/TiO_2复合薄膜的研究 先配置七种不同浓度的TiCl_4溶液，然后再用这六种TiCl_4溶液对SiO_2/TiO_2复合光阳极进行TiCl_4后处理。通过SEM、氮气吸附-脱附曲线、紫外-可见吸收光谱和电池的IPCE、J-V曲线测试，研究TiCl_4水溶液的浓度对光阳极复合薄膜的形貌和电池的光电性能的影响。得出结论：TiCl_4水解生成的纳米TiO_2小颗粒减小了孔容和孔隙率，增大了薄膜中纳米颗粒的晶粒尺寸；当TiCl_4水溶液的浓度为75mM时获得了最高的电池转换效率，较未处理的电池效率提高了105%，Voc和FF波动不大。 【关键词】：二氧化硅 四氯化钛 二氧化钛 染料敏化太阳能电池 复合薄膜
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 致谢9-12
• 插图清单12-13
• 表清单13-14
• 第一章 综述14-27
• 1.1 引言14-16
• 1.2 染料敏化太阳能电池16-21
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的发展简史16-17
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理17-20
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池的性能参数20-21
• 1.3 染料敏化电池的研究进展21-25
• 1.3.1 多孔纳米半导体薄膜21-24
• 1.3.2 染料敏化剂24-25
• 1.3.3 电解质25
• 1.4 本文的研究内容25-27
• 第二章 基于商业 P25 粉末的染料敏化电池制备工艺研究27-37
• 2.1 引言27
• 2.2 实验部分27-30
• 2.2.1 试剂与设备27
• 2.2.2 TiCl_4水溶液的配置27-28
• 2.2.3 FTO 导电基底的清洗28
• 2.2.4 N719 敏化剂的配制28
• 2.2.5 电解质的配置28
• 2.2.6 DSSCs 的制备工艺28-30
• 2.2.6.1 纳米 TiO_2浆料的制备29
• 2.2.6.2 FTO 导电玻璃的 TiCl_4前处理29
• 2.2.6.3 丝网印刷 TiO_2浆料29-30
• 2.2.6.4 多孔 TiO_2薄膜的敏化30
• 2.2.6.5 铂对电极的制备30
• 2.2.6.6 染料敏化电池的封装30
• 2.3 结果与讨论30-36
• 2.3.1 膜厚对电池的影响30-31
• 2.3.2 焙烧工艺的优化研究31-34
• 2.3.2.1 焙烧温度的优化研究31-32
• 2.3.2.2 焙烧曲线对光阳极薄膜的影响32-34
• 2.3.3 薄膜敏化时间的优化34-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 SiO_2/TiO_2复合材料的制备、表征及其在 DSSCs 中的应用37-46
• 3.1 引言37
• 3.2 实验部分37-38
• 3.2.1 试剂与设备37
• 3.2.2 TiCl_4水溶液的配置37
• 3.2.3 TiO_2/SiO_2复合浆料的制备37-38
• 3.2.4 染料敏化电池光阳极的制备及表征38
• 3.2.5 染料敏化电池的组装38
• 3.3 测试结果与讨论38-45
• 3.3.1 SiO_2/ TiO_2复合材料的结构特性38-40
• 3.3.2 SiO_2/ TiO_2复合光阳极的形貌分析40-41
• 3.3.3 SiO_2/ TiO_2复合光阳极的比表面积和孔隙的分析41-42
• 3.3.4 SiO_2/ TiO_2复合光阳极的染料吸附量变化42-43
• 3.3.5 纳米 SiO_2掺杂量对电池光电特性的影响43-44
• 3.3.6 SiO_2在电池中的作用44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 基于 SiO_2/TiO_2复合材料的 DSSCs 的表面优化46-53
• 4.1 引言46
• 4.2 实验部分46-47
• 4.2.1 试剂与设备46
• 4.2.2 TiCl_4水溶液的配置46
• 4.2.3 光阳极的制备46-47
• 4.2.4 DSSCs 电池的封装47
• 4.3 测试结果与讨论47-51
• 4.3.1 TiCl_4处理后复合薄膜的形貌分析47-49
• 4.3.2 TiCl_4后处理对电池光电特性的影响49-51
• 4.3.3 TiCl_4前处理的意义51
• 4.4 本章小结51-53
• 第五章 结论与展望53-54
• 5.1 全文总结53
• 5.2 展望53-54
• 参考文献54-61
• 攻读硕士学位期间发表的论文61-63

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