柔性不锈钢冷轧成形数值模拟及表面TiO2纳米管阵列的制备

摘要

柔性太阳能电池用精密不锈钢基底厚度很薄，受设备及工艺限制在成形过程中极易出现板形缺陷，难以满足作为电池基板用要求。因此，结合柔性太阳能电池的制备及使用要求，需对不锈钢基板的冷轧成形工艺进行优化。本论文首先采用数值模拟的方法，对染料敏化太阳能电池用不锈钢基板多道次冷轧过程进行有限元仿真，与实际结果相比较验证了模型的可靠性；以单道次的轧制过程为例，研究了轧制压下率、前后张力对轧制力及板形的影响。有限元模拟结果表明，随着压下率增加，轧制力增大，同时基板边部减薄率增大，凸度加大，平整度变差；增大前后张力均能使轧制力减小，但同时也使基板的边部减薄率增加；当基板的道次压下率控制在20％以下，且在有效张力的选取范围内（q=(0.3~0.5)σ0.2）采用后张力稍大于前张力并与之接近的张力制度，可在保证轧机安全的前提下得到优良的板形。
　　其次，采用磁控溅射与阳极氧化相结合的方法，在柔性不锈钢表面快速制备了规整的TiO2纳米管阵列。通过测量阳极氧化电流-时间曲线，分析了TiO2纳米管阵列在60V氧化电压下在含0.5wt.%NH4F+3vol.%H2O的乙二醇电解质溶液中的快速生长机制，并通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线衍射（XRD）及电化学工作站（CHI）对TiO2纳米管阵列进行了表征。研究结果表明，在光滑面的不锈钢基底上纳米管的生长速度达20.7nm·s-1，氧化5min后，纳米管长度为6.2μm，管内径及管壁分别为50nm，薄膜与基底结合性能良好，最终形成了表面带孔洞的TiO2纳米管阵列薄膜-Ti层-不锈钢基底三层结构；经过450℃退火处理后得到锐钛矿相的TiO2纳米管阵列，与纳米颗粒（NP）薄膜电极相比，TiO2纳米管阵列（NTA）薄膜电极具有更优异的光电化学性能。
　　为了提高薄膜与基底的结合性能，在喷砂面不锈钢基底上制备了TiO2纳米管阵列。当氧化时间为12min时，TiO2纳米管阵列长达7.07μm，且膜基结合性能优异。通过比较阳极氧化时间-电流曲线及FESEM结果发现，喷砂面上分布的满型特征有利于Ti膜形成致密的柱状晶结构，使后续TiO2纳米管阵列的生长速度更平缓、更稳定。
　　最后，分别以光滑面不锈钢基底/Ti膜/TiO2纳米管阵列、喷砂面不锈钢基底/Ti膜/TiO2纳米管阵列作为光阳极，组装为染料敏化太阳能电池（DSSC）后测试其J-V曲线并研究弯曲次数对电池性能的影响。通过比较发现，弯曲次数对喷砂面不锈钢基底DSSC的开路电压Voc及填充因子FF几乎不产生影响，而对短路电流密度Jsc及转换效率η的影响要比对光滑面不锈钢基底DSSC的影响小得多。总之，以喷砂面不锈钢为基底制备TiO2纳米管阵列薄膜电极更有利于保持电池的稳定性。

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图表清单

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 柔性薄膜太阳能电池用不锈钢基板的成形技术

1.3不锈钢基底柔性薄膜太阳能电池研究进展

1.4 TiO2纳米管的研究进展

1.5 本论文的研究目的及主要内容

第二章 柔性太阳能电池用不锈钢基底冷轧成形的数值模拟

2.1 引言

2.2 不锈钢精密薄板轧制原理及板形控制要求

2.3 不锈钢精密薄板冷轧成形有限元模型的建立

2.4 不锈钢基底多道次冷轧成形有限元模型的验证

2.5 压下率及张力对轧制力及板形影响规律的探讨

2.6 本章小结

第三章 光滑面不锈钢基底上TiO2纳米管阵列的制备与表征

3.1 引言

3.2 试验部分

3.3 TiO2纳米管阵列的表征及光电化学性能测试

3.4 本章小结

第四章 喷砂面不锈钢基底上TiO2纳米管阵列的制备与表征

4.1 引言

4.2 喷砂面不锈钢基底的制备工艺

4.3 试验部分

4.4 TiO2纳米管阵列的表征及性能测试

4.5 本章小节

第五章 TiO2纳米管阵列薄膜电极的DSSC性能表征

5.1 引言

5.2 染料敏化太阳能电池的基本结构及工作原理

5.3 染料敏化太阳能电池的性能评价

5.4 TiO2纳米管阵列薄膜电极DSSC的性能测试

5.5 不同表面形貌基底上TiO2纳米管阵列薄膜电极的DSSC性能比较

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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