染料吸附后的界面修饰与复合敏化及其光伏特性的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells，简称DSCs)是清洁能源领域中备受关注的研究方向，界面修饰和复合敏化是DSCs研究中的重要课题。本论文针对DSCs中光阳极/染料/电解质界面处染料的团聚、染料和光阳极的能级匹配、电子注入与电子反向复合、界面电子过程等关键科学问题，开展了染料吸附后的界面修饰及其光伏特性的研究；以界面修饰材料为载体层组装了交替多层结构，研究了交替多层结构复合敏化及其界面电子过程等。主要研究成果如下： (1)研究了染料吸附后的界面修饰材料和方法。将4-叔丁基吡啶(TBP)用于染料吸附后的界面修饰，而不是添加到电解质中。TBP的界面修饰削弱了染料的团聚，抑制了电荷复合，同时避免了其对电解质中电荷传输的阻挡作用，改善了电池的转换效率。但TBP与染料分子之间的相互作用会降低染料的LUMO能级，导致电子注入效率下降，从而降低短路电流。 (2)首次把醋酸镁(Mg(OAc)_2)用作界面修饰材料，研究了染料吸附后Mg(OAc)_2的界面修饰及其光伏特性。红外光谱及循环伏安结果表明Mg(OAc)_2与N3染料分子之间的相互作用削弱了染料团聚，阻挡了电荷复合，同时提高了N3分子的LUMO能级，从而提升了电子注入效率。Mg(OAc)_2界面修饰有效改善了DSCs的光电转换效率和稳定性。 (3)在TBP和Mg(OAc)_2等修饰材料研究基础上，把多功能修饰材料8-羟基喹啉铝(Alq_3)用于染料吸附后的界面修饰，研究结果表明，Alq_3的界面修饰阻挡了电荷复合。同时，Alq_3和N3染料之间的福斯特共振能量转移(F rster resonance energytransfer, FRET)增加了电池光响应。 (4)研究了交替多层结构复合敏化及其光伏特性。利用TiO_2平整膜简化模型，研究了适用于交替多层结构的载体材料的性质；组装了N3/Al_2O_3/N3交替多层结构，该结构能有效提高光吸收，阻挡暗反应，改善界面电子传输，从而提高电池效率；组装了N3/Al_2O_3/N749交替多层结构，该结构有效拓宽了电池光响应范围，同时降低暗电流，进而提高了电池的转换效率。基于交流阻抗的结果建立了等效电路模型，利用该模型对界面电子过程模拟得到的数据和实验测量值相吻合，从理论上解释了交替多层结构对界面阻抗特性以及电子注入与复合等过程的影响。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 染料吸附后的界面修饰 染料团聚 电荷复合 交替多层结构复合敏化
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TQ610.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 主要符号对照表8-9
• 第1章 引言9-33
• 1.1 染料敏化太阳能电池9-21
• 1.1.1 光伏太阳能电池9-11
• 1.1.2 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理11-14
• 1.1.3 纳米多孔光阳极14-17
• 1.1.4 敏化剂17-19
• 1.1.5 电解质19-21
• 1.1.6 对电极21
• 1.2 DSCs 中的界面修饰和复合敏化研究现状21-31
• 1.2.1 界面修饰21-26
• 1.2.2 复合敏化26-31
• 1.3 论文的研究思路及主要内容31-33
• 第2章 实验方法33-43
• 2.1 试剂与仪器33-36
• 2.1.1 主要试剂33-35
• 2.1.2 主要仪器35-36
• 2.2 材料的选择和制备36-37
• 2.2.1 TiO_2纳米晶溶胶的制备36
• 2.2.2 准固态电解质的制备36
• 2.2.3 Pt 对电极的制备36-37
• 2.3 TiO_2纳米多孔薄膜及 DSCs 器件的制备37-38
• 2.3.1 FTO 导电玻璃的清洗37
• 2.3.2 TiO_2致密膜制备37
• 2.3.3 TiO_2多孔光阳极的制备37
• 2.3.4 染料吸附37-38
• 2.3.5 染料吸附后的界面修饰以及交替多层结构的制备38
• 2.3.6 电池组装38
• 2.4 太阳能电池的性能参数和测试38-41
• 2.4.1 太阳光谱38-40
• 2.4.2 太阳能电池的基本参数40-41
• 2.5 DSCs 性能参数测试41-43
• 2.5.1 太阳能电池光伏特性测试41-42
• 2.5.2 交流阻抗测试42
• 2.5.3 电子寿命/电子传输测试42
• 2.5.5 IPCE 测试42-43
• 第3章 染料吸附后的界面修饰及其光伏特性的研究43-81
• 3.1 TBP 的界面修饰及其光伏特性的研究44-56
• 3.2 醋酸镁的界面修饰及光伏特性的研究56-69
• 3.3 8-羟基喹啉铝的界面修饰及光伏特性的研究69-80
• 3.4 本章小结80-81
• 第4章 交替多层复合敏化及其光伏特性的研究81-109
• 4.1 使用平整膜简化模型优化交替多层结构中的载体材料82-90
• 4.2 N3/Al_2O_3/N3 交替多层结构及其光伏特性的研究90-94
• 4.3 N3/Al_2O_3/N749 交替多层结构及其光伏特性的研究94-108
• 4.4 本章小结108-109
• 第5章 结论109-111
• 5.1 主要结论109-110
• 5.2 主要创新点110-111
• 参考文献111-124
• 致谢124-126
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果126-127

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