染料敏化太阳能电池中TiO_2薄膜电极的制备及应用

【摘要】： 染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的光电化学电池,由于其价格便宜、制作工艺简单、对环境友好、可制成大面积等优点而成为当前可再生能源研究领域的一个热点,具有很好的应用前景。DSSC的研究不仅对探索制备廉价太阳能电池的途径有实际意义,其研究结果在半导体光电子学、纳米多孔材料、材料界面理论及光电化学等方面均具有重要的科学意义。本文分别采用水热法、溶胶-凝胶法制备了TiO_2胶体,并考察了热处理温度、薄膜厚度等对电池光电性能的影响,以期提高染料敏化太阳能电池的光电效率。主要研究内容如下: (1)以钛酸丁酯、冰醋酸为主要原料,在200oC下,水热结晶12小时,450oC下热处理0.5小时后得到多孔TiO_2薄膜电极;分别以Zn~(2+)、Ni~(2+)、Co~(2+)、Cu~(2+)对纳米TiO_2薄膜进行表面改性,制备了掺杂不同金属离子的薄膜电极。探讨了不同金属离子、薄膜厚度及煅烧温度对染料敏化太阳能电池光电性能的影响。以100W氙灯作为模拟太阳光,对电池进行光电性能测试,结果表明:掺杂Zn2+的电池光电性能较好,得到了较高的开路电压,达到了0.822V,因此以Zn2+作为过渡金属离子的代表对TiO_2薄膜进行表面修饰;当Zn2+为0.08mol/L,热处理温度为450oC,薄膜的厚度为6.78μm时,可获得光电性能较好的电池; (2)以异丙氧醇钛,吐温-20为主要原料,表面活性剂吐温-20为模板,采用溶胶-凝胶法制备了有序的TiO_2薄膜;对薄膜厚度、热处理温度、表面活性剂用量等影响染料敏化太阳能电池光电性能的因素进行了研究。以100W氙灯作为模拟太阳光,对电池进行光电性能测试表明:当异丙氧醇钛与表面活性剂的摩尔比为4:1,薄膜的厚度为9.81μm,煅烧温度为500oC时,电池的光电性能较好; (3)采用超声水热联合法,以P25为原料制备了TiO_2纳米粉体,将其掺杂于水热法制备的TiO_2胶体浆料中,并以其为基体,制作了染料敏化太阳能电池的光阳极,在100W氙灯照射下,对电池进行光电性能测试,结果表明:纳米粉体的加入量、煅烧温度、薄膜的厚度均对电池的性能有很大的影响:当纳米颗粒与胶体质量比为1:2.35,膜的厚度为6.85μm,煅烧温度为450oC时,电池的光电性能较好。 【关键词】：溶胶-凝胶法 水热法 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 前言11
• 1.2 染料敏化太阳能电池的研究进展11-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理13-14
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的结构13
• 1.3.2 电池的光电转换原理13-14
• 1.4 纳米TiO_2 薄膜的制备研究进展14-17
• 1.4.1 溶胶-凝胶法15
• 1.4.2 化学气相沉积法15
• 1.4.3 水热合成法15-16
• 1.4.4 高温溶胶沉积技术(SPD)16
• 1.4.5 有序TiO_2 膜的组装方法16
• 1.4.6 其它方法及比较16-17
• 1.5 TiO_2 多孔半导体膜的改性17-20
• 1.5.1 金属离子的掺杂17-18
• 1.5.2 表面化学改性18-19
• 1.5.3 复合其它氧化物薄膜19
• 1.5.4 形貌设计19-20
• 1.6 染料敏化太阳能电池性能的影响因素20-21
• 1.6.1 太阳光强度对DSSC 光电性能的影响20
• 1.6.2 温度对DSSC 光电性能的影响20-21
• 1.7 染料敏化太阳能电池面临的问题21
• 1.8 本论文的研究目的和研究内容21-23
• 参考文献23-29
• 第二章 电池的制备及性能表征29-38
• 2.1 染料敏化太阳能电池的制备流程29-30
• 2.2 DSSC 的性能测试30
• 2.3 DSSC 的性能指标30-34
• 2.3.1 开路电压和短路电流30-31
• 2.3.2 光电转换效率31-33
• 2.3.3 I-V 特性曲线33-34
• 2.4 测试及表征方法34-36
• 2.4.1 粉末X-射线（XRD）晶相分析34-35
• 2.4.2 微观形貌观察35
• 2.4.3 薄膜光学性能的测定35
• 2.4.4 红外光谱分析35
• 2.4.5 电压及电流的测量35-36
• 参考文献36-38
• 第三章 ZnO/TiO_2薄膜电极的制备及其在DSSC 中的应用38-51
• 3.1 引言38
• 3.2 实验主要药品和仪器38-39
• 3.3 实验部分39-40
• 3.3.1 水热法制备TiO_2 胶体39
• 3.3.2 TiO_2 薄膜电极的制备39
• 3.3.3 ZnO/TiO_2 薄膜电极的制备39-40
• 3.3.4 染料敏化ZnO/TiO_2 薄膜电极的制备40
• 3.3.5 其它掺杂金属离子薄膜电极的制备40
• 3.3.6 DSSC的组装40
• 3.4 结果与讨论40-49
• 3.4.1 ZnO/TiO_2的XRD 分析40-41
• 3.4.2 ZnO/TiO_2 的红外光谱（FTIR）分析41-42
• 3.4.3 纯TiO_2和ZnO/TiO_2薄膜的SEM和EDX图42-43
• 3.4.4 不同金属离子掺杂对电池光电性能的影响43-45
• 3.4.5 纯TiO_2和ZnO/TiO_2电池的光电性能及染料吸收量比较45-46
• 3.4.6 TiO_2 薄膜的厚度对短路电流密度、开路电压和染料吸收量的影响46-48
• 3.4.7 煅烧温度的对电池性能的影响48-49
• 3.5 本章小结49-50
• 参考文献50-51
• 第四章 表面活性剂模板法制TiO_2 薄膜电极及其光电性能研究51-63
• 4.1 引言51
• 4.2 实验主要药品和仪器51-52
• 4.3 实验部分52
• 4.3.1 溶胶-凝胶法制备TiO_2 胶体52
• 4.3.2 染料敏化TiO_2 有序膜的制备52
• 4.3.2 DSSC的组装和电池性能测试52
• 4.4 结果与讨论52-60
• 4.4.1 TiO_2的XRD晶相分析52-53
• 4.4.2 TiO_2 的红外光谱（FTIR）分析53-54
• 4.4.3 TiO_2 吸附染料前后的 SEM54-55
• 4.4.4 无序的TiO_2和有序TiO_2薄膜电极电池的光电性能比较55-56
• 4.4.5 表面活性剂吐温-20的量对电池光电性能的影响56-57
• 4.4.6 TiO_2 薄膜的厚度对短路电流密度和开路电压影响57-58
• 4.4.7 煅烧温度对电池性能的影响58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 参考文献61-63
• 第五章 纳米晶TiO_2薄膜的水热合成及光电性能研究63-75
• 5.1 引言63
• 5.2 实验主要药品和仪器63-64
• 5.3 实验部分64-65
• 5.3.1 纳米粉体的制备64
• 5.3.2 水热法制备TiO_2 胶体64
• 5.3.3 染料敏化薄膜电极的制备64-65
• 5.3.4 DSSC 的组装和电池性能测试65
• 5.4 结果与讨论65-72
• 5.4.1 TiO_2的XRD晶相分析65-66
• 5.4.2 TiO_2 的红外光谱（FTIR）分析66
• 5.4.3 未掺杂的TiO_2和掺杂纳米粉体的TiO_2薄膜的SEM 图66-67
• 5.4.4 未掺杂的TiO_2和掺杂纳米粉体TiO_2薄膜电极电池的光电性能及染料吸收量比较67-69
• 5.4.5 粉体加入量变化对电池光电性能的影响69
• 5.4.6 TiO_2 薄膜的厚度对短路电流密度和开路电压影响69-71
• 5.4.7 煅烧温度对TiO_2膜结构及光电性能的影响71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 参考文献73-75
• 第六章 总结75-77
• 附录:硕士研究生在读期间发表的论文77-78
• 致谢78

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