TiO染料敏化太阳能电池和BaSnO纳米颗粒光电性质研究

摘要

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源是解决能源危机的最佳途径之一。染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC)由于制作工艺简单、成本低、稳定并且对环境无污染等特点，具有重要的研究价值和良好的开发前景。本文通过半导体电极和对电极的制备、染料敏化太阳能电池的组装和电池光电转化性能测试等，研究了DSSC半导体电极、对电极、电解液组成与电池性能的关系，并得到了2.26％的光电转化效率。通过表面光电压谱的测试，研究了溶胶—凝胶法制备的BaSnO<,3>纳米颗粒和N719-BaSnO<,3>复合体系的表面光电压特性以及N719对BaSnO<,3>纳米颗粒的敏化，为其在DSSC中的应用提供了实验和理论基础。主要作了以下有意义的工作： 1.本文以TiO<,2>粉体(P25)为原料，加入水、分散剂后进行研磨，把所得的浆料涂敷在导电玻璃上成膜，550℃热处理30分钟后，在N719染料的乙醇溶液(5×10<'-5>M)中浸泡24 h，得到TiO<,2>/染料电极。用夹子把TiO<,2>/染料电极和镀Pt的对电极夹紧，在两者之间滴加电解液，即完成染料敏化太阳能电池的制作。并使用CHI660电化学工作站测试电池的光电转化性能。 2.探讨了TiO<,2>薄膜的退火温度、TiCl<,4>处理和TiO<,2>薄膜在染料中的浸泡时间、电解液的配置以及Pt对电极对电池光电转化性能的影响。结果表明，TiO<,2>薄膜在550℃退火30 min后，TiCl<,4>处理30 min，在N719染料的乙醇溶液中(5×10<'-5>M)浸泡24 h可获得较好的电池性能。电解液中添加4-叔丁基吡啶和对电极经Pt修饰后，都可以使电池的性能得到改善。当电池的面积为0.25 cm<'2>，氙灯的辐照功率密度为100 mW/cm<'2>时，电池的开路电压为614 mV，短路电流为1.62 mA，填充因子为0.57，可获得2.26％的光电转化效率。 3.归纳了染料敏化太阳能电池和光合作用的联系。新型太阳能电池—染料敏化太阳能电池Dye-Sensitized Solar Cell(DSSC)和植物的光合作用有着密切而深刻的联系，本文在原理、结构和组成物质三个方面分别对DSSC和光合作用进行了分析和比较，由此得出，DSSC是光合单位的模拟，DSSC的产生是自然现象对人类的启示。认识二者的联系对DSSC的研究、改进有重要意义。 (1)通过把DSSC与光合作用过程的比较与对照，有助于加深对DSSC工作过程的理解，其中光致电荷分离和电荷转移是核心过程； (2)向自然学习，改进DSSC的结构； (3)启发人们提取和合成天然染料； (4)将植物光合作用的物质借鉴到染料敏化太阳能电池中。 4.使用溶胶—凝胶法制备了晶粒尺寸为40 nm左右的BaSnO<,3>纳米颗粒，研究了BaSnO<,3>纳米颗粒的表面光电压特性，结果表明其在300-450 nm之间有明显的表面光电压响应，最大值在357nm左右。研究了N719-BaSnO<,3>复合体系的表面光电压响应，发现N719有机染料对BaSnO<,3>具有有效的敏化作用。N719在N719-BaSnO<,3>复合体系的表面光电压响应中起着重要的作用，它增强了BaSnO<,3>纳米颗粒的光电压响应，并且使BaSnO<,3>纳米颗粒的光电压响应阈值从450 nm拓展到了600 nm，N719和BaSnO<,3>纳米颗粒之间的电荷转移是形成敏化效果的原因。价带谱表明两者能级的相对位置可以使电子从激发态的N719染料注入到BaSnO<,3>纳米颗粒的导带。这些结果表明N719-BaSnO<,3>复合体系可能被应用在光电转化领域尤其是染料敏化太阳能电池方面。BaSnO<,3>是一种重要的陶瓷材料，人们对它的介电和光催化性质已经有了广泛的研究，但是其光电性质研究较少。我们利用表面光电压谱和电场诱导表面光电压谱对BaSnO<,3>纳米颗粒表面光电压性质进行了研究。这些结果不仅使人们对BaSnO<,3>的性质有了更多的认识和了解，而且对于DSSC电极材料的丰富和扩展具有十分重要的意义，使得具有更好性能的染料敏化太阳能电池的半导体电极材料将有可能被发现。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章染料敏化太阳能电池及其研究现状

1.1基本概念

1.1.1大气质量数

1.1.2单色光电转化效率

1.1.3 I-V曲线和光电转化效率

1.2染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理

1.2.1结构

1.2.2工作原理

1.3二氧化钛纳米晶电极

1.3.1二氧化钛性质

1.3.2二氧化钛电极

1.3.3二氧化钛电极的改进

1.4染料敏化剂

1.6本论文的研究内容

1.7本论文的研究意义

参考文献

第2章TiO2染料敏化太阳能电池的制备与研究

2.1 TiO2染料敏化太阳能电池的制备

2.1.1 TiO2薄膜电极的制备

2.1.2铂电极的制备

2.1.3染料的配置和电极的敏化

2.1.4电解液的配置

2.1.5电池的组装

2.1.6 DSSC性能测试

2.2 TiO2染料敏化太阳能电池性能的影响因素

2.2.1 TiO2电极的影响

2.2.2电解液的影响

2.2.3 Pt电极的影响

2.2.4染料浸泡时间的影响

2.3本章小结

参考文献

第3章染料敏化太阳能电池与光合作用的联系

3.1引言

3.2光合作用与DSSC工作过程的比较和联系

3.2.1原理

3.2.2结构

3.2.3组成物质

3.3认识DSSC和光合作用联系的意义

3.3.1加深对DSSC工作过程的理解

3.3.2改进DSSC尤其是染料的结构

3.3.3利用天然染料

3.3.4电子传递材料的借鉴

3.4本章小结

参考文献

第4章MSnO3(M=Ca，Sr，Ba)纳米颗粒的表面光电压性质研究

4.1表面光电压谱技术

4.1.1半导体材料的光伏效应

4.1.2表面光电压谱

4.1.3表面光电压的产生机理

4.2 MSnO3(M=Ca，Sr，Ba)的表面光电压性质研究

4.2.1溶胶-凝胶法制备MSnO3(M=Ca，Sr，Ba)

4.2.2实验部分

4.2.3实验结果及表征

4.3本章小结

参考文献

第5章N719染料对BaSnO3纳米颗粒的敏化

5.1引言

5.2实验和测试

5.2.1样品的制备

5.2.2样品测试

5.3结果和讨论

5.3.1结构和形貌

5.3.2紫外-可见吸收光谱

5.3.3 SPS分析

5.3.4价带谱分析

5.3.5场诱导表面光电压响应谱(EFISPS)

5.4本章小结

参考文献

硕士其间发表的论文

致谢