蝶翅结构TiO_2膜在染料敏化太阳能电池中的探索研究

【摘要】： 染料敏化TiO2纳米晶太阳能电池(NPC , nanocrystalline photovoltaic cell)是一种新型光电化学太阳能电池,由于它制作工艺简单、成本低和性能稳定,并且对环境无污染,具有良好的开发前景。它是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。已有研究表明光阳极的微观结构是影响染料敏化太阳能电池性能的一个重要因素。因此开发各种不同的显微结构的光阳极是染料敏化太阳能电池研究的重要部分。 而自然界中,蝴蝶进化出各种色彩缤纷的翅膀,研究表明蝶翅颜色与其微观结构有关。一方面,有些蝴蝶翅膀呈现出黑色或者深灰褐色,深色的翅膀能使其吸收更多的能量,从而能使自己的体温快速升高到合适的温度,增加其在寒冷气候下和高海拔地区的生存机率。最近研究发现某些凤蝶科蝴蝶黑色翅膀上的微细鳞片具有准蜂窝的结构(QHS,quasi-honeycomb like structure)。这种结构经实验验证可以最大限度地吸收可见光,起着类似光陷阱的作用,也就是,光进入其表明后,在其内表面反复反射吸收。另一方面,处于求偶和捕食的需要,某些蝴蝶进化出了艳丽的带有金属光泽蓝色或绿色,亦即对某一特定波长具备高反射率。研究发现这些蓝绿色鳞片内具有准光子晶体结构(QPCS,quasi-photonic crystal structure),反射光的颜色正处于其光子禁带中。 受蝶翅颜色与结构之间的紧密联系所启发,本研究选择两种蝶翅结构作为生物模板,将蝶翅结构复制在透明导电玻璃表面,并组装成染料敏化太阳能电池(DSSC,dye-sensitized solar cell),比较其光电性能,希望能对DSSC电极的研究提供新的结构,从而能获得具有较高光捕获效率乃至高光电转化效率的DSSC。 (1)光阳极制备及电池组装:本文采用遗态法,以钛酸四丁酯的无水乙醇溶液为前驱体,在导电玻璃上复制了蝶翅结构。在染料N3乙醇溶液中浸泡24小时后,得到蝶翅结构TiO2光阳极,组装成染料敏化太阳能电池后,添加电解液,完成电池的组装。 (2)光阳极材料表征及电池性质研究:比较研究了两种蝶翅结构光阳极染料敏化太阳能电池的电流电压曲线,结果表明,采用蜂窝状结构复制的光阳极组装的染料敏化太阳能电池,可获得较好的光电性能。通过对光阳极的显微结构、成分、以及反射光谱的表征,对电池性能的差异作出了解释。 【关键词】：蝴蝶 模板 二氧化钛 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 第一章 绪论11-35
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太阳能电池12-14
• 1.3 染料敏化太阳能电池14-25
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池结构与工作原理14-17
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池性能参数17-20
• 1.3.3 光阳极材料微观结构对电池性能的影响20-25
• 1.4 蝶翅颜色与显微结构25-28
• 1.4.1 蝶翅的基本微观结构25-26
• 1.4.2 蝶翅的结构色26-27
• 1.4.3 蝶翅中的光子晶体结构27-28
• 1.5 蝶翅结构的复制研究28-30
• 1.6 选题意义及研究内容30-31
• 1.6.1 选题意义及研究目标30
• 1.6.2 研究内容及方案30-31
• 参考文献31-35
• 第二章 蝶翅模板二氧化钛光阳极的制备及表征35-56
• 2.1 引言35-36
• 2.2 蝶翅模板二氧化钛光阳极的制备36-41
• 2.2.1 蝶翅的选取选取和预处理36-39
• 2.2.2 光阳极的制备39-41
• 2.3 蝶翅结构二氧化钛纳米材料表征41-54
• 2.3.1 微观结构表征42-49
• 2.3.2 成分分析49-50
• 2.3.3 比表面积和孔径分析50-52
• 2.3.4 反射光学特征52-54
• 2.4 本章小结54-55
• 参考文献55-56
• 第三章 染料敏化太阳能电池的组装及性能研究56-65
• 3.1 引言56
• 3.2 染料敏化太阳能电池的组装56-60
• 3.2.1 染料56-58
• 3.2.2 电解液58-59
• 3.2.3 电池组装59-60
• 3.3 染料敏化太阳能电池的性能研究60-63
• 3.4 本章小结63-64
• 参考文献64-65
• 第四章 结论与展望65-67
• 4.1 结论65-66
• 4.2 展望66-67
• 致谢67-68
• 攻读硕士期间发表论文68-70

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