TiO2光阳极的制备及固态染料敏化太阳能电池的机理研究

摘要

染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC)最初由瑞士洛桑联邦高等理工学院(EPFL) Gr(a)tzel教授领导的研究小组于1991年取得突破性进展，相对于昂贵的传统硅太阳能电池，DSSC工艺简单、价格低廉、能量转化效率较高，因此被认为是最有希望取代前者的新一代光伏器件。染料敏化太阳能电池由半导体薄膜光阳极、染料敏化剂、电解质及对电极四部分组成，其中光阳极承担着吸附染料、分离传输电荷的重任，对染料敏化太阳能电池的能量转化效率有着直接的影响。本论文针对TiO2光阳极展开研究，旨在提高染料敏化太阳能电池的光电性能，具体研究工作如下:
　　(1)利用水热法合成TiO2纳米颗粒，通过调节反应物中TMAH的加入量、水热反应时间以及后期乙基纤维素的加入量，制备了TiO2纳米颗粒浆料并作为光阳极应用于染料敏化太阳能电池，同时对电池器件进行了测试研究。通过条件的优化，我们的制备基于TiO2纳米颗粒的DSSC（TiO2膜厚12μm）的短路光电流Jsc、开路光电压Voc分别达到了16.72 mA cm-2和0.736 V，能量转换效率达到了8.25％。
　　(2)将TiO2纳米颗粒沉积到原位生长于导电玻璃上的TiO2纳米棒阵列上，将二者结合作为光阳极应用于DSSC器件，相比于同样厚度的纯TiO2纳米颗粒层光阳极，前者具有较高的短路电流密度及能量转化效率。短路光电流的提高归因于TiO2纳米棒阵列/纳米颗粒光阳极具有较低的导带边，使电子注入动力有所增大。同时TiO2纳米棒阵列/纳米颗粒结构具有良好的抑制电荷复合效果，从而在保证开路电压的基础上提高了能量转化效率。
　　(3)通过水热法在导电玻璃基片上生长了TiO2纳米棒阵列，再将其与石墨烯复合，在纳米棒顶端覆盖一层石墨烯后实现了TiO2纳米棒阵列的继续生长，制备了多层TiO2纳米棒阵列，并将其作为光阳极应用于染料敏化太阳能电池，同时对电池光电性能做了相应研究。研究结果显示，随着TiO2纳米棒阵列厚度增大，对染料分子的吸附量增加，使得电池器件短路光电流密度Jsc有明显的增加，但是开路光电压Voc则逐渐降低。考虑多层TiO2纳米棒阵列的综合性能，当TiO2纳米棒阵列为两层(4μm)时得到最佳的光电性能，其电池器件短路光电流Jsc为7.30 mA cm-2，开路光电压Voc为0.702 V，填充因子FF为0.75，能量转化效率达到了3.86％。
　　(4)将合成的TiO2纳米颗粒应用于全固态染料敏化太阳能电池，其中固态电解质分别为按一定比例与I2和LiI混合的含有酯基的咪唑碘盐(EMImI)与含有烷基链的咪唑碘盐(DMPImI)两种离子导体，并对二者的光电性能进行了研究。分析了电池器件导带边、电荷复合、电子收集效率等对开路光电压、短路光电流、填充因子的影响，阐释了含有酯基的EMImI离子导体可以有效提高电池的光电性能的原因，这对研发更高效的离子导体电解质具有理论指导意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 太阳能电池分类

1．2．1 单晶硅太阳能电池

1．2．2 多晶硅薄膜太阳能电池

1．2．3 非晶硅太阳能电池

1．2．4 化合物薄膜太阳能电池

1．2．5 有机聚合物太阳能电池

1．2．6 染料敏化太阳能电池

1．3 染料敏化太阳能电池的工作原理与性能参数

1．3．1 染料敏化太阳能电池的工作原理

1．3．2 染料敏化太阳能电池的性能参数

1．4 染料敏化太阳能电池的研究现状

1．4．1 染料敏化剂

1．4．2 电解质

1．4．3 对电极

1．4．4 光阳极

1．5 课题研究的内容及目的

第二章 实验部分

2．1 实验原材料与DSSC的制备过程

2．1．1 实验仪器

2．1．2 导电基板

2．1．3 二氧化钛浆料制备

2．1．4 二氧化钛薄膜的制备

2．1．5 染料的敏化

2．1．6 液态电解质的配制

2．1．7 热解铂对电极的制备

2．1．8 电池器件的组装和密封

2．2 表征使用仪器及测试方法

2．2．1 紫外—可见光(UV-Vis)光谱分析

2．2．2 电池的光电性能测试

2．2．3 入射单色光子-电子转换效率(IPCE)

2．2．4 强度调制光电流／光电压谱(IMPS／IMVS)

2．2．5 电荷释放法

2．2．6 电化学阻抗测试(EIS)

第三章 TiO2纳米颗粒的水热合成

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 二氧化钛纳米颗粒的制备

3．2．3 光阳极的制备以及DSSC的组装

3．2．4 表征与分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同TMAH加入量对电池效率的影响

3．3．2 水热时间对电池效率的影响

3．3．3 乙基纤维素加入量对电池效率的影响

3．4 本章小结

第四章 TiO2纳米棒阵列／纳米颗粒光阳极及其染料敏化太阳能电池性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 制备TiO2纳米棒阵列及TiO2纳米颗粒

4．2．3 光阳极的制备以及DSSC的组装

4．2．4 表征与分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 光阳极的结构及形貌

4．3．2 光阳极染料吸附量

4．3．3 电池器件的光电性能

4．3．4 电池器件的IPCE分析

4．3．5 电池器件的导带分析

4．3．6 电池器件的电荷抑制分析

4．4 本章小结

第五章 多层TiO2纳米棒阵列及其染料敏化太阳能电池性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂

5．2．2 石墨烯悬浮液的合成

5．2．3 多层TiO2纳米棒阵列

5．2．4 光阳极的制备以及DSSC的组装

5．2．5 表征与分析

5．3 结果与分析

5．3．1 光阳极的结构及形貌

5．3．2 光阳极染料吸附量

5．3．3 电池器件的光电性能

5．3．4 电池器件的IPCE分析

5．3．5 电池器件的电荷抑制分析

5．3．6 电池器件的电化学阻抗谱分析

5．4 本章小结

第六章 酯基咪唑盐离子导体全固态电池的性能研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验试剂

6．2．2 全固态染料敏化太阳能电池的组装

6．2．3 电池的光电性能测试

6．2．4 表征方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 光伏性能

6．3．2 酯基官能团对短路光电流Jsc的影响

6．3．3 酯基官能团对开路光电压oc的影响

6．3．4 酯基官能团对填充因子FF的影响

6．4 本章小结

全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间已取得的研究成果

致谢

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