染料敏化太阳能电池电极改性研究

摘要

染料敏化太阳能电池(DyeSensitizedSolarCell，简称DSSC)由瑞士洛桑高等理工学院Gretzel教授于1991年率先制备，立即受到国际上广泛的关注和重视。之后各国科研人员对其进行大量的研究并取得了一定的进展，但仍存在许多尚需解决的问题，如其核心部件TiO2纳米晶膜的光电转换性能有待提高、染料急需低成本化、开发高效电解质与固态电解质、如何实现电池大面积化以及电池结构的优化等。
　　 本文采用改进的溶胶-凝胶制备工艺以及利用聚苯乙烯作为造孔剂制备Gd、N共掺杂多孔TiO2纳米薄膜，分析了薄膜中孔隙、粒径大小等对薄膜性能的影响；根据第一原理研究轨道有序态及其对光电性能的影响，定性和定量分析TiO2的能带变化与掺杂Gd/N等物质的关系。研究结果表明：
　　 溶胶-凝胶法所得薄膜在500℃温度下煅烧得到的TiO2为锐钛矿晶型，颗粒的大小约为20nm。膜的表面出现较多的孔隙，没有团聚和裂痕。以此薄膜组装了DSSC，通过对其电池的I-V测试，TiO2薄膜厚度约10μm时，其光电池的性能最好，其开路电压为0.382v，短路电流为0.332mA。TiO2结构的多孔隙性保证了较多染料的吸附，进而增强了捕获太阳光的能力，薄膜的合适的厚度有利于使染料分子及电解质充分地吸附到纳米TiO2中，有利于载流子的传输和转移，抑制复合与暗电流。
　　 以聚苯乙烯(PS)微球为造孔剂，结合溶胶-凝胶法制备了具有良好光电性能的锐钛矿多孔TiO2薄膜电极。其中PS微球乳液为7％时，TiO2薄膜电极表面分布着较多孔径均匀的圆形小孔，其光电转换效率效果最优，短路电流Isc为0.4979mA/cm2，开路电压Voc为0.6696V，填充因子FF为38.15％，比没有造孔剂时效果有大幅提高。而通过Gd、N共掺杂制备的多孔电极最好的效果，在掺杂Gd为0.5％，掺杂N为0.3％。时候，效果达到最好，其开路电压为0.649v。短路电流为0.713mA/cm2，相对没有掺杂的多孔膜电极其效率提高51.47％。
　　 采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了锐钛矿相及Gd、N共掺杂TiO2的基态几何、电子结构，计算得到TiO2的晶格常数与实验结果的偏差很小；掺杂能级的形成主要是掺杂Gd、N的4f轨道的贡献。掺杂Gd\N后，不仅使TiO2的吸收带产生红移，且增强了TiO2在紫外区的光吸收，因此Gd\N型的共掺杂能使TiO2的禁带变窄，光电性能得到提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2太阳能电池的类型

1.3染料敏化太阳能电池的原理及其发展现状

1.3.1结构组成

1.3.2工作原理

1.4国内外DSSC电池研究进展

1.4.1实验研究现状

1.4.2计算机模拟研究现状

1.5论文的研究意义与研究内容

1.6课题来源

第二章实验方法

2.1实验仪器和试剂

2.1.1实验仪器

2.1.2实验试剂

2.2表征方法

2.2.1 X射线衍射(XRD)

2.2.2电池的电流-电压曲线

2.2.3电化学阻抗谱(EIS)

2.2.4紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)

2.2.5表面形貌分析(SEM)

第三章溶胶-凝胶法制备TiO2纳米晶电极

3.1溶胶—凝胶法概述

3.2实验

3.2.1溶胶制备

3.2.2电池制备及组装

3.2.3对电极制备

3.2.4电解液制备

3.2.5染料制备

3.2.6组装

3.3电极测试、表征及分析

3.4小结

第四章多孔膜及掺杂电极性能研究

4.1前言

4.2实验

4.2.1聚苯乙烯微球的制备

4.2.2制备有造孔剂的多孔TiO2薄膜电极

4.2.3 Gd、N掺杂TiO2多孔电极制备

4.2.4电池组装及光电性能测试

4.3电极薄膜性能测试及表征

4.3.1电极薄膜的表面形态

4.3.2紫外光谱分析(UV-Vis)

4.3.3光电性能测试

4.4小结

第五章TiO2的量子计算

5.1量子计算简介

5.2计算方法与内容

5.2.1模型的建立

5.2.2计算内容

5.3结果与讨论

5.3.1结构优化

5.3.2纯锐钛矿相TiO2能带结构与态密度

5.3.3 Gd\N掺杂锐钛矿相TiO2的能带结构和态密度

5.4小结

结 论

参考文献

致 谢

附录