纤维染料敏化太阳能电池等效电路研究

摘要

太阳能作为一种可再生、低成本的绿色能源有望成为代替化石能源的世界性能源。染料敏化太阳能电池（dye sensitized solar cell，DSSC）作为第三代太阳能电池，具有成本低廉、原料丰富、制备工艺简单等特点，近年来成为太阳能电池研究的热点。传统硬性平板式的光伏电池抗外力能力欠佳，受空间限制大，制约了产品多样性设计以及大面积电池模块的运输、安装及使用。近年来，一种新型纤维太阳能电池受到广泛关注。它以不锈钢丝作为电极基底，通过编织或缠绕方式组装成电池。新型纤维DSSC以其独特的柔性可编织特点，给太阳能电池的应用带来了极大的方便。纤维结构的电池内部界面高度弯曲，界面高曲率导致表面应力增大，从而影响到电池的光电转换效率，这给纤维电池的研究带了新的挑战。目前，用于分析DSSC内部机理的等效电路研究仅限于硬性平板器件，而没有专门针对纤维DSSC的等效电路，这不利于对纤维DSSC内部机制进行研究讨论。本研究在优化TiO2、ZnO两类纤维DSSC的基础上提出并建立了纤维DSSC等效电路模型，并进一步分析讨论了纤维DSSC内部工作机理。研究内容主要包括以下几点：
　　①研究制备了基于TiO2及ZnO纳米阵列的全固态纤维DSSC，实验发现，不同结构的TiO2纳米管会对电池的性能造成影响。并且，TiO2基纤维DSSC的TiO2薄膜最优厚度远大于平板DSSC。实验还发现，分层结构的ZnO纳米棒更加适用于纤维DSSC。
　　②研究基于无应变的理想电池模型，建立了全固态纤维DSSC的等效电路。从等效电路出发，讨论了纤维DSSC的EIS频谱响应特性以及纤维DSSC内部感抗效应产生的原因。实验发现在不同频段的扫描区，分析推导所得的电池的阻抗变化趋势与实验结果一致。实验还在扫描频率的高频区发现了负阻抗行为，这与电池等效电路中的感抗特性一致。感抗现象是传统平板电池所不具备的。
　　③研究分析了 TiO2薄膜、CuI薄膜以及光敏染料对电池等效电路的影响。实验发现，由于电极表面的应力畸变，导致氧化物及电解质薄膜厚度对电池的影响规律相对复杂。电池内部的界面电阻（Rct）会随功能层厚度而变化。在全固态的纤维DSSC中，电解质TiO2薄膜/电解质界面的渗透作用被大大强化，TiO2薄膜的最优厚度增加，这有利于提高电池的开路电压。
　　本研究提出了针对纤维DSSC的等效电路模型，对于优化纤维DSSC具有积极的指导意义。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 太阳能电池的研究进展

1.2.1 无机太阳能电池

1.2.2 有机太阳能电池

1.2.3 无机-有机杂化太阳能电池

1.3 新型DSSC的研究进展

1.3.1 DSSC的结构及工作原理

1.3.2 纤维DSSC的研究进展

1.4 DSSC等效电路研究

1.5 研究内容及创新点

1.5.1 研究内容

1.5.2 创新点

2 实验部分

2.1 材料、试剂和设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验试剂

2.1.3 实验设备

2.2 纤维DSSC的制备

2.2.1 光阳极制备

2.2.2 光敏化剂和电解质制备

2.2.3 电池组装

2.3 分析及测试

2.3.1 扫描电子显微镜

2.3.2 光电化学特性测试

2.3.3 电化学阻抗谱

3 纤维染料敏化太阳能电池的结构优化

3.1 TiO2基纤维DSSC结构优化

3.1.1 阳极氧化法制备TiO2纳米管薄膜

3.1.2 TiO2纳米管管径优化

3.1.3 TiO2纳米管长度优化

3.1.4 CuI电解质厚度优化

3.2 ZnO基纤维DSSC的结构优化

3.2.1 水热法制备ZnO纳米棒薄膜

3.2.2 不同形态ZnO纳米棒薄膜对电池性能的影响

3.3 本章小结

4 纤维染料敏化太阳能电池等效电路研究

4.1 等效电路推导

4.2 等效电路有效性验证

4.2.1 纤维DSSC的EIS谱频响特征研究

4.2.2 纤维DSSC内部感抗效应溯源

4.3 纤维DSSC阻抗随电池物理参数的变化

4.3.1 TiO2薄膜结构对电池阻抗的影响

4.3.2 CuI薄膜结构对电池阻抗的影响

4.3.3 光敏染料对电池阻抗的影响

4.4 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附 录