染料敏化太阳能电池阻抗分析

【摘要】： 随着能源危机和环境污染问题的日益加剧,新能源的开发和利用显得十分紧迫。太阳能作为一种清洁而又取之不尽的能源,正在受到人们的重视。近年来,染料敏化太阳能电池由于其廉价的成本和简单的制作工艺以及潜在的高光电转化效率,成为当前纳米技术和光电转换材料研究的热点之一,是最有希望取代传统太阳能电池的新型太阳能转换装置。随着人们对其研究的不断深入,染料敏化太阳能电池的性能有了很大的提高,但其光电转换效率距理论值还有比较大的差距,关于电池的工作机理仍有许多模糊不清的地方,需要进一步的深入研究。 电化学阻抗谱是常用的一种电化学测试技术,该方法具有频率范围广、对体系扰动小的特点,已被证实是一种非常有效的研究染料敏化太阳能电池中电子传输及复合过程动力学的方法。本文应用电化学阻抗谱技术对电池内部电子传输过程的阻抗特性进行了研究,建立了一个能够完整描述电池结构的等效电路,同时结合阻抗的理论模型,对不同条件下电池的阻抗谱图进行了分析,并采用模拟退火算法对阻抗数据进行拟合,从而确定了反映电子转移过程的重要参数。 对于采用P25制备的染料敏化太阳能电池的阻抗谱图,分析结果表明电池的内部阻抗主要来自至少三个方面:高频区域,铂和电解质界面的阻抗;中频区域,电子在二氧化钛薄膜中的传输和复合阻抗;低频区域,电解质内部的扩散阻抗。其中电子在二氧化钛薄膜中的传输和复合阻抗是影响电池内部阻抗的主要方面,电解质的扩散对电池内部阻抗的影响较小。同时,增加铂对极厚度、二氧化钛薄膜厚度和入射光强度,以及减小电解液层厚度,能够减小电池的阻抗。此外,较高的二氧化钛中电子有效扩散系数和电子有效寿命以及电解质的扩散系数是制备高效染料敏化太阳能电池的重要因素。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 电化学阻抗谱 阻抗分析 数学物理模型
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 文献综述8-22
• 1.1 太阳能概述8-10
• 1.1.1 太阳能的利用8-9
• 1.1.2 太阳能电池9-10
• 1.1.2.1 太阳能电池原理9
• 1.1.2.2 太阳能电池分类9-10
• 1.2 染料敏化太阳能电池10-14
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理10-12
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的研究进展12-13
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池的现存问题和研究方向13-14
• 1.3 染料敏化太阳能电池阻抗分析14-15
• 1.3.1 阻抗分析在染料敏化太阳能电池中应用14
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池阻抗分析的研究进展14-15
• 1.4 电化学阻抗谱原理15-21
• 1.4.1 电化学阻抗谱简述15-16
• 1.4.2 阻抗的谱图表述16-17
• 1.4.3 电化学阻抗谱的特点17
• 1.4.4 电化学阻抗谱的测量的前提条件17-18
• 1.4.5 电化学阻抗谱的数据处理与解析18-21
• 1.4.5.1 等效电路18
• 1.4.5.2 数据处理的目的18-19
• 1.4.5.3 数据处理的途径19-20
• 1.4.5.4 数据处理的方法20-21
• 1.4.6 电化学阻抗谱的应用21
• 1.5 本论文的研究目的和内容21-22
• 第二章 阻抗分析模型和计算方法22-37
• 2.1 实验部分22-23
• 2.1.1 染料敏化太阳能电池的制作22-23
• 2.1.2 电化学性能测试23
• 2.2 染料敏化太阳能电池等效电路模型23-24
• 2.3 电池电路模型的阻抗表达式24-31
• 2.3.1 能斯特扩散阻抗24-27
• 2.3.2 二氧化钛薄膜中电子扩散和复合的阻抗27-31
• 2.4 计算机模拟程序简介31-37
• 2.4.1 阻抗数据的非线性最小二乘法拟合31-32
• 2.4.2 模拟退火算法32-37
• 2.4.2.1 模拟退火算法的基本原理32-33
• 2.4.2.2 模拟退火算法的基本思想和步骤33-35
• 2.4.2.3 模拟退火算法的关键参数和操作的设计35-37
• 第三章 模拟结果和数据分析37-50
• 3.1 染料敏化太阳能电池的输出特性37-38
• 3.2 Pt电极厚度的影响38-39
• 3.3 电解液层厚度的影响39-40
• 3.4 二氧化钛薄膜厚度的影响40-42
• 3.5 入射光强度的影响42-44
• 3.6 典型的阻抗谱图44-45
• 3.7 二氧化钛导带中电子的有效扩散系数的影响45-47
• 3.8 二氧化钛薄膜中电子有效寿命的影响47-48
• 3.9 电解质扩散系数的影响48-50
• 第四章 结论50-51
• 符号说明51-54
• 参考文献54-59
• 发表论文和参加科研情况说明59-60
• 致谢60

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