铁电偶极子电场优化染料敏化太阳能电池

摘要

染料敏化太阳能电池（DSCs）因为具有较低的制作成本，相对较高的光电转化效率，因此引起了广泛的关注。DSC的主要结构包含FTO集电极，半导体材料光阳极，铂电极作为对电极。DSC是一种比较特殊的太阳能电池，它可以把光吸收以及电子传输两个过程分开。在入射光的照射下，染料分子吸收光子产生电子，染料中的电子注入到光阳极中时，在光阳极膜内就有了两个过程：电荷的传输和电荷的复合。电子的传输是沿着光阳极传递到FTO上，但是电子的传输是依靠电子浓度梯度来完成的，存在着一定的随机性和无序性。而相应的电荷的复合过程主要是指电子和电解液中I3-离子的复合过程，因此两个过程之间就存在了竞争。一般光阳极半导体材料具有很大的比表面积，可以吸附染料以及给电子提供传输路径。但是在该半导体材料带来巨大的比表面积的同时也带来了更多的电荷复合的机会。因此在光阳极内提高电子的传输，抑制电荷的复合是提高DSC效率的有效途径。
　　铁电材料由于其特殊的结构特性，在居里温度以下晶格结构内的正负电荷不重合，产生了一定的自发极化电场，并且产生的自发极化电场足够使电子空穴分离。近些年来铁电材料开始应用于有机太阳能电池，研究结果显示该方案起到了一定的积极作用。本研究中我们将铁电材料引入到DSC中，希望能够利用其自发极化电场促进光阳极内电子的运动，减少电荷复合率。
　　本研究以TiO2为光阳极材料，结合铁电材料BaTiO3和LiNbO3。制备了BaTiO3/TiO2以及LiNbO3/TiO2光阳极，并组装DSC。系统研究了制备浆料中乙基纤维素（EC）最佳质量比以及光阳极在染料中最佳浸泡时间、浓度。利用XRD、SEM、AFM和SSPFM等方法表征光阳极薄膜的成分与形貌结构，采用电流-电压输出特性（J-V）、电化学阻抗谱（EIS）分别研究了最佳制作电池工艺、BaTiO3以及LiNbO3的复合含量对DSC的光电转换效率和电输运性能的影响。得到的主要结果如下：
　　①EC在DSC中起到造孔剂和粘结剂的作用：当EC比例为9 wt％时，DSC达到最高转化效率（5.28%）以及最高的染料吸附量（74.0 nmol/cm2）。
　　②随着光阳极浸泡染料浓度的降低，电池达到最高效率所需要的浸泡时间升高；光阳极浸泡染料浓度为0.5 mM、浸泡时间22 h和浓度为0.6 mM、浸泡时间18 h得到的电池有较高的效率。
　　③当BaTiO3的浓度为1.0 wt%的时候，DSC获得最高的能量转化效率（5.39%），相对于纯TiO2的DSC增加了11%，其中主要原因是BaTiO3偶极子促进电子移动，减少电荷复合。
　　④将LiNbO3和TiO2充分混合得到的电池效率改善现象要比层状结构的明显。混合结构中LiNbO3是通过抑制TiO2/染料/电解液界面电荷复合效应以及促进膜内电子传输来改善电池效率；而涂层状结构的LiNbO3只是在TiO2/染料/电解液界面抑制了电荷复合效应。

目录

1 绪 论

1.1引言

1.2染料敏化太阳能电池的结构及工作原理

1.3 DSC的性能参数

1.4 DSC的表征技术

1.5基于光阳极国内外研究现状

1.6 铁电材料

1.7 铁电材料在太阳能电池中的应用

1.8本课题的研究意义及内容

2 乙基纤维素及工艺处理参数对DSC的影响

2.1引言

2.2实验材料和仪器

2.3实验

2.4 结果与讨论

2.5本章小结

3 基于BaTiO3/TiO2光阳极的染料敏化太阳能电池

3.1引言

3.2实验材料与器材

3.3实验过程

3.4结果与讨论

3.5本章小结

4 基于不同LiNbO3/TiO2光阳极结构的染料敏化太阳电池

4.1前言

4.2实验材料与仪器

4.3实验过程

4.4结果与讨论

4.5本章小结

5 总结与展望

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 后续工作与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士期间参加的科研项目