新型光阳极材料在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：新型染料敏化太阳电池(Dye-Sensitized Solar Cell,以下简称DSSC)由瑞士洛桑联邦高等理工学院(EPFL) Gratzel教授于90年代取得突破性进展,相对于昂贵的硅太阳能电池,其作为一种廉价的替代品更具潜力。因此,在学术界和工业界有许多研究人员都专注于对DSSC的设备的开发和研究。本论文对新型光阳极材料展开研究,一些功能半导体材料成功运用于DSSC里面。本文的主要研究结果归纳如下： 1.碳纳米管纤维 我们提出的太阳能电池,首次使用柔性、质轻、超强的半导体性碳纳米管制备了一系列新型的太阳能电池。和传统的刚性平面电池以及最近开始研究的柔性薄膜或纤维电池相比,碳纳米管纤维太阳能电池具有其独特的优势。 第一,由于碳纳米管是相互平行排列的,碳纳米管纤维因此具有优良的电学性能,使这类太阳能电池能够产生高的短路电流(Jsc)、单色光量子效率(IPCE)和能量转换效率(η)。第二,碳纳米管纤维具有极好的机械性能,如比Kevlar更强,拉伸强度比最强的工业纤维zylon和dyneema更高。第三,这些碳纳米管纤维具有直径可调、质轻、弯曲性能好且可编制等优点。 2.锌/钨掺杂与填充因子 作为DSSC中的一个重要参数,科学界对于填充因子(FF)研究一致非常少。尽管对填充因子和串联电阻密切相关的报道已经广为接受,然而对于因为半导体的内部以及和染料以及电解液界面的电阻所带来的半导体光阳极的性质对于填充因子的影响鲜有研究。 在本研究中,我们采用两个系列：a)未掺杂以及掺杂浓度从0.5%到10%的锌掺杂系列；b)未掺杂以及钨掺杂系列,这里面的钨掺杂浓度范围0.1%到2%。在对DSSC的研究中,我们发现其填充因子(FF)随着Zn掺杂浓度的增高而增大,但随着W掺杂浓度的增高而减小。我们建立了一个单二极管模型来分析FF与Voc和理想因子(m)的关系,这一模型通过FF随Voc/m增大而增大的正相关关系阐明了掺杂浓度对填充因子的影响。 3.三价铁/二价铁掺杂 在改善DSSC效率方面,掺杂是一个不错的选择,但是过去的研究关注的是单一价态的掺杂。在本研究中,我们采用溶胶凝胶以及水热合成的方法进行不同价态的铁掺杂。证实0.5wt%Fe2+掺杂后形成Fe2+-Fe3+离子共存在的掺杂,其相比较于单一价态的Fe3+掺杂,Jsc和η分别增加了17.6%和17.2%。任何价态的铁掺杂,都可以降低二氧化钛的导带能级,随着Fe2+离子浓度从0.5%增至1%,之后用0.25wt%Fe2+-0.25wt%Fe3+到最后的0.5wt%Fe3+离子掺杂后一直在降低导带能级,从而与染料的激发态能级更好的匹配,提高了电荷注入效率。 掺杂形成一种表面改进方法,使得纳米颗粒表面等电点发生正移,增加染料吸附量；也使得纳米颗粒分布更加均匀,以及亚铁和铁离子之间的电子转移更加流畅而提高了填充因子(9.6%)。并且掺杂后发现有良好的抑制电荷复合的效果,提高了电荷分离的能力,增加了电子的寿命。 4. SrCO3/TiO2双层包覆 表面改性在提高染料敏化太阳能电池(DSSC)的效率方面起着至关重要的作用,但传统报道的表面处理,在性能方面一般都优于未经处理的二氧化钛,但逊色于典型的TiCl4处理。我们的这项工作是在多孔二氧化钛表面经过两步处理醋酸锶[Sr(OAc)2]和TiCl4,烧结形成的碳酸锶电子绝缘层上形成在TiO2表面,然后一个新的二氧化钛层沉积在碳酸锶层的顶部,从而形成相应的的双层SrCO3/TiO2包覆层。 在制造高效的染料敏化太阳能电池方面,Sr(OAc)2-TiCl4处理要比TiCl4,处理要好的多,Jsc,开路光电压(Voc)和η分别增加了17%,18mV以及20%。开路下的电荷密度和控制强度调制光电流/光电压谱显示,两种电极的导带几乎在相同的水平,但存在不同的电荷复合速率常数和电子扩散系数。由于碳酸锶层阻断了电子与I3-离子层的复合作用,Sr(OAc)2-TiCl4处理的DSSC电荷复合速率常数是TiCl4处理的DSSC的一半,这与Voc的变化相吻合。短路光电流的提高也归因于碳酸锶的中间层,他不仅仅提高染料的吸附,而且由于碳酸锶阻塞效果抑制了电荷的复合从而提高电荷分离效率。 【关键词】：染料敏化 太阳能电池 碳纳米管 TiO_2 掺杂 包覆 强度调制光电流谱 强度调制光电压谱 电荷复合 电子寿命 填充因子 导带 多价态
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-29
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 太阳能电池概述10-14
• 1.3 染料敏化太阳能电池(DSSC)的结构原理与技术指标14-17
• 1.4 染料敏化太阳能电池的研究现状17-24
• 1.5 课题研究内容及目的24-26
• 1.6 参考文献26-29
• 第2章 实验与测试方法29-37
• 2.1 实验原材料与DSSC制备的工艺流程29-32
• 2.2 表征使用仪器与测试方法32-36
• 2.3 参考文献36-37
• 第3章 碳纳米纤维染料敏化太阳能电池37-49
• 3.1 引言37-38
• 3.2 实验部分38-39
• 3.3 结果与讨论39-46
• 3.4 本章小结46-47
• 3.5 参考文献47-49
• 第4章 锌/钨掺杂对于填充因子的影响49-61
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验部分50
• 4.3 结果与讨论50-57
• 4.4 本章小结57-58
• 4.5 参考文献58-61
• 第5章 Fe~(2+)/Fe~(3+)掺杂薄膜的制备及研究61-75
• 5.1 引言61-62
• 5.2 实验部分62
• 5.3 结果与讨论62-71
• 5.4 本章小结71-72
• 5.5 参考文献72-75
• 第6章 双层包裹对光电性能的影响75-91
• 6.1 引言75-76
• 6.2 实验部分76-78
• 6.3 结果与讨论78-86
• 6.4 本章小结86-88
• 6.5 参考文献88-91
• 第7章 结论91-93
• 致谢93-95
• 攻读学位期间发表的论文及取得的成果95-97

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