染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究

【摘要】： 太阳能是一种取之不尽,用之不竭的绿色能源。开发利用太阳能,被普遍认为是解决能源危机的可行办法。太阳能电池是直接将光能转换成电能的装置。长期以来,由于硅基太阳能电池成本太高,很难真正地达到替代常规能源,被更大规模的使用。染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的薄膜电池,以其成本低、制备工艺简单而受到世界各国研究者的广泛关注。本论文分别采用溶胶-凝胶法、静电纺丝法和分子自组装法制备了TiO_2和ZnO薄膜,并将其应用于DSSC,研究了太阳能电池的光电特性。 采用溶胶-凝胶法制备了TiO_2和ZnO薄膜。从SEM图看到,两种薄膜颗粒均匀,为20nm左右。退火后TiO_2薄膜和ZnO薄膜分别为锐钛矿和纤锌矿结构。以TiO_2薄膜作为光阳极吸附自制的天然染料,经J-V测试发现转化效率较低。这是由于所制薄膜表面平整,孔隙率少造成的,同时,自制天然染料可吸收光的能量有限也可降低电池效率。 采用静电纺丝法制备了TiO_2薄膜。为了改善薄膜与衬底的附着性,我们采用了在静电纺丝前驱体溶液中加入乙醇胺的方法,实验结果表明这一方法切实有效。由于所制备的是纳米颗粒,因此称该方法为电喷涂。所制备的薄膜由大小均匀的纳米颗粒组成,多孔性较好。实验发现通过改变乙醇胺的添加量可以较准确的控制纳米颗粒大小,且乙醇胺的加入量越大,纳米颗粒尺寸越大。不同的乙醇胺添加量和薄膜厚度对电池各个参数也会产生影响。厚度2μm的TiO_2薄膜制成的电池具有2.91%的转化率。该方法在制备DSSC光阳极时操作简单、晶粒尺寸可调、薄膜厚度可控,更适合于大规模生产,因此为染料敏化太阳能电池产业化提供可能。 用分子自组装方法制备了球形ZnO,并且将其应用到染料敏化太阳能电池中。我们发现相比于溶胶-凝胶制备的ZnO薄膜,电池的转化效率有了很大的提高。分子自组装方法制备的ZnO有以下优点:1)球形ZnO增加了光在薄膜中的散射,从而使得光的吸收率大大提高,进而电池的效率得到提高;2)相比较溶胶-凝胶法制备的ZnO薄膜,球形ZnO具有更大的表面积,从而能够吸收更多地染料,使电池效率大大提高。 【关键词】：DSSC 溶胶-凝胶 静电纺丝 电喷涂 乙醇胺 分子自组装 亚微米球 光散射
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：O484
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-35
• 1.1 太阳能电池的分类11-16
• 1.1.1 硅基太阳能电池11-14
• 1.1.1.1 单晶硅太阳能电池12
• 1.1.1.2 多晶硅薄膜太阳能电池12-13
• 1.1.1.3 非晶硅薄膜太阳能电池13-14
• 1.1.2 化合物薄膜太阳能电池14
• 1.1.3 聚合物太阳能电池14-15
• 1.1.4 染料敏化太阳能电池15
• 1.1.5 小结15-16
• 1.2 染料敏化太阳能电池基本结构和工作原理16-23
• 1.2.1 光阳极17-22
• 1.2.2 电解质22
• 1.2.3 光阴极22-23
• 1.2.4 本节小结23
• 1.3 染料敏化太阳能电池纳米晶多孔膜的研究进展23-29
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池中的半导体纳米晶多孔膜23-25
• 1.3.2 纳米晶多孔膜的制备25-27
• 1.3.3 DSSC中的半导体纳米晶多孔膜的改性研究27-29
• 1.3.4 本节小结29
• 1.4 论文研究的意义和主要内容29-31
• 参考文献31-35
• 第二章实 验方法和表征手段35-56
• 2.1 实验方法35-42
• 2.1.1 Sol-Gel法35-37
• 2.1.2 静电纺丝方法37-41
• 2.1.3 自组装方法介绍41-42
• 2.2 试剂与实验仪器42-43
• 2.3 表征手段43-52
• 2.3.1 X射线衍射43-45
• 2.3.2 场发射扫描电镜(FESEM)45-46
• 2.3.3 紫外-可见分光光度计(UV-Vis)46-47
• 2.3.4 拉曼光谱(Raman)47-48
• 2.3.5 电池的性能测试48-52
• 2.3.5.1 测试条件48
• 2.3.5.2 开路电压(Voc)48-49
• 2.3.5.3 短路电流(Isc)49-50
• 2.3.5.4 光电转化效率50-52
• 2.4 本章小结52
• 参考文献52-56
• 第三章 Sol-Gel法制备DSSC的光阳极56-69
• 3.1 实验过程56-60
• 3.2 实验结果与讨论60-67
• 3.2.1 XRD数据分析60-61
• 3.2.2 表面形貌分析61-62
• 3.2.3 紫外-可见光谱分析62-67
• 3.2.3.1 染料的吸收光谱分析62-64
• 3.2.3.2 染料敏化后的TiO_2膜的吸收光谱分析64-65
• 3.2.3.3 数据分析65-67
• 3.3 本章小结67
• 参考文献67-69
• 第四章 静电放丝法及电喷涂法制备DSSC光阳极69-83
• 4.1 静电纺丝制备TiO_2纳米晶薄膜69-70
• 4.2 实验结果和数据分析70-72
• 4.2.1 样品的SEM图70-71
• 4.2.2 太阳能电池参数的测量71-72
• 4.3 电喷涂法制备DSSC72-80
• 4.3.1 改变乙醇胺添加量制备DSSC73-78
• 4.3.1.1 实验过程73-74
• 4.3.1.2 实验结果和数据分析74-78
• 4.3.2 乙醇胺添加量不变制备不同厚度的DSSC电极78-80
• 4.3.2.1 实验过程78
• 4.3.2.2 实验结果与数据分析78-80
• 4.4 本章小结80-81
• 参考文献81-83
• 第五章 ZnO球制备染料敏化太阳能电池光阳极83-90
• 5.1 实验过程83-84
• 5.2 实验结果和数据处理84-88
• 5.2.1 形貌表征84-85
• 5.2.2 结构表征85-86
• 5.2.3 太阳能电池性能的测量86-88
• 5.3 本章小结88-89
• 参考文献89-90
• 总结与展望90-93
• 附录93-94
• 致谢94

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