大面积染料敏化太阳电池中纳米多孔薄膜电极的研究

摘要

在染料敏化太阳电池(DSC)中，已经证实纳米TiO2多孔薄膜是影响电池光电转换效率的重要因素之一。纳米TiO2多孔薄膜不仅影响着染料敏化剂的吸附和电子在多孔膜内的转移过程，又影响入射太阳光在多孔薄膜内的传输情况。如何获得高效的DSC电池，TiO2多孔薄膜是研究的关键内容之一。
　　 本文采用溶胶—凝胶法制备纳米TiO2胶体，通过XRD、TEM、FE-SEM以及BET比表面积和孔隙仪，研究不同实验参数条件下获得的纳米TiO2多孔膜的表面形貌和纳米颗粒尺寸大小，以及多孔薄膜孔隙率、孔径分布和孔体积等微结构参数；研究了溶胶—凝胶过程中锐钛矿相和金红石相纳米TiO2晶体生长动力学过程及结构相变；论文中同时也对纳米多孔薄膜进行了界面优化和设计，并详细研究了具有不同微结构性能的多孔薄膜对DSC光伏性能的影响。借助于IMPS、IMVS等光谱电化学设备，在电子扩散系数、寿命和吸收系数等微观参数与纳米颗粒大小和膜厚等宏观参数之间变化规律上进行了初步研究，获得了不同微结构性能的薄膜电极对电荷传输性能的影响规律。通过对纳米TiO2晶体生长及结构相变、多孔薄膜微结构对DSC光伏性能的影响以及电荷在多孔薄膜内传输性能的研究，首次提出了大面积纳米多孔薄膜电极的微结构设计方案并在DSC中取得了较好的实际应用，这为高性能大面积DSC的电极材料产业化提供了理论和实验指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章染料敏化太阳电池中纳米多孔薄膜电极的研究进展

1.1染料敏化太阳电池

1.2纳米多孔薄膜在DSC中的应用

1.3纳米多孔薄膜研究进展

1.3.1纳米TiO2多孔薄膜制备技术的研究现状

1.3.2纳米TiO2多孔薄膜物理化学修饰的研究进展

1.3.3其它半导体薄膜的研究概况

1.4研究思路及研究内容

第2章纳米TiO2多孔薄膜的制备及其性能表征

2.1纳米TiO2结构与特性

2.1.1 TiO2本征物理性质

2.1.2纳米TiO2化学性质

2.1.3纳米TiO2的应用

2.2溶胶—凝胶法制备纳米TiO2多孔薄膜

2.3纳米TiO2粉体的性能表征

2.3.1 X射线衍射仪(XRD)

2.3.2 Raman光谱

2.3.3透射电子显微境(TEM)

2.3.4 XPS

2.4纳米TiO2多孔薄膜的性能表征

2.4.1 X射线衍射仪(XRD)

2.4.2场发射扫描电境(FE-SEM)

2.4.3 N2吸附—脱附分析仪/物理吸附分析仪

2.4.4电化学方法

2.5本章小结

第3章溶胶—凝胶过程中纳米TiO2晶体生长动力学

3.1纳米TiO2结构相变

3.1.1水解pH值对结构相变的影响

3.1.2高压热处理温度对结构相变的影响

3.1.3高压热处理时间对结构相变的影响

3.2纳米TiO2晶体生长动力学

3.2.1纳米TiO2锐钛矿—金红石相变动力学

3.2.2锐钛矿晶粒生长动力学

3.2.3金红石晶粒生长动力学

3.3纳米TiO2生长过程控制

3.4本章小结

第4章纳米多孔薄膜微结构对DSC光伏性能的影响

4.1薄膜电极界面优化

4.1.1 DSC内部界面特性

4.1.2小面积DSC界面优化研究

4.2金属阳离子处理与掺杂

4.2.1金属阳离子溶液处理

4.2.2金属阳离子掺杂

4.3薄膜微结构对DSC性能的影响

4.3.1引言

4.3.2纳米TiO2颗粒尺寸优化研究

4.3.3 BET表面积、孔洞率及孔径分布对DSC性能的影响

4.3.4多孔薄膜厚度对DSC性能的影响

4.4不同微结构DSC的光伏响应研究

4.4.1不同微结构DSC的光伏响应

4.4.2 DSC电池板受光强影响

4.5本章小结

第5章多孔薄膜内电荷传输性能的初步研究

5.1引言

5.2 IMPS和IMVS实验方法及数字模拟

5.2.1.IMPS、IMVS的应用

5.2.2 IMPS/IMVS理论模型回顾

5.2.3 IMPS/IMVS工作原理及实验方法

5.3 DSC的IMPS/IMVS研究

5.3.1典型的IMPS/IMVS曲线

5.3.2吸收系数对电流密度的影响

5.3.3吸收系数和电子寿命的对应关系

5.3.4不同膜厚中的电子扩散系数、传输时间

5.3.5膜厚对电子扩散长度的影响

5.3.6颗粒尺寸对扩散系数和电子寿命的影响

5.4多孔薄膜形貌对电子传输性能的影响

5.4.1渗透理论与平均近邻颗粒数

5.4.2薄膜形貌对电子传输性能的影响

5.5本章小结

第6章纳米TiO2多孔薄膜的优化设计

6.1纳米TiO2多孔薄膜微结构优化

6.1.1小颗粒致密层的引入

6.1.2纳米TiO2多孔薄膜层的作用

6.1.3大颗粒TiO2薄膜层的光散射效应

6.2大面积多孔薄膜电极的微结构设计

6.3本章小结

第7章全文总结及展望

7.1全文总结

7.2薄膜电极研究展望

参考文献

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