染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究

论文摘要

太阳能是一种取之不尽,用之不竭的绿色能源。开发利用太阳能,被普遍认为是解决能源危机的可行办法。太阳能电池是直接将光能转换成电能的装置。长期以来,由于硅基太阳能电池成本太高,很难真正地达到替代常规能源,被更大规模的使用。染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型的薄膜电池,以其成本低、制备工艺简单而受到世界各国研究者的广泛关注。本论文分别采用溶胶-凝胶法、静电纺丝法和分子自组装法制备了TiO2和ZnO薄膜,并将其应用于DSSC,研究了太阳能电池的光电特性。采用溶胶-凝胶法制备了TiO2和ZnO薄膜。从SEM图看到,两种薄膜颗粒均匀,为20nm左右。退火后TiO2薄膜和ZnO薄膜分别为锐钛矿和纤锌矿结构。以TiO2薄膜作为光阳极吸附自制的天然染料,经J-V测试发现转化效率较低。这是由于所制薄膜表面平整,孔隙率少造成的,同时,自制天然染料可吸收光的能量有限也可降低电池效率。采用静电纺丝法制备了TiO2薄膜。为了改善薄膜与衬底的附着性,我们采用了在静电纺丝前驱体溶液中加入乙醇胺的方法,实验结果表明这一方法切实有效。由于所制备的是纳米颗粒,因此称该方法为电喷涂。所制备的薄膜由大小均匀的纳米颗粒组成,多孔性较好。实验发现通过改变乙醇胺的添加量可以较准确的控制纳米颗粒大小,且乙醇胺的加入量越大,纳米颗粒尺寸越大。不同的乙醇胺添加量和薄膜厚度对电池各个参数也会产生影响。厚度2μm的TiO2薄膜制成的电池具有2.91%的转化率。该方法在制备DSSC光阳极时操作简单、晶粒尺寸可调、薄膜厚度可控,更适合于大规模生产,因此为染料敏化太阳能电池产业化提供可能。用分子自组装方法制备了球形ZnO,并且将其应用到染料敏化太阳能电池中。我们发现相比于溶胶-凝胶制备的ZnO薄膜,电池的转化效率有了很大的提高。分子自组装方法制备的ZnO有以下优点:1)球形ZnO增加了光在薄膜中的散射,从而使得光的吸收率大大提高,进而电池的效率得到提高;2)相比较溶胶-凝胶法制备的ZnO薄膜,球形ZnO具有更大的表面积,从而能够吸收更多地染料,使电池效率大大提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳能电池的分类
• 1.1.1 硅基太阳能电池
• 1.1.1.1 单晶硅太阳能电池
• 1.1.1.2 多晶硅薄膜太阳能电池
• 1.1.1.3 非晶硅薄膜太阳能电池
• 1.1.2 化合物薄膜太阳能电池
• 1.1.3 聚合物太阳能电池
• 1.1.4 染料敏化太阳能电池
• 1.1.5 小结
• 1.2 染料敏化太阳能电池基本结构和工作原理
• 1.2.1 光阳极
• 1.2.2 电解质
• 1.2.3 光阴极
• 1.2.4 本节小结
• 1.3 染料敏化太阳能电池纳米晶多孔膜的研究进展
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池中的半导体纳米晶多孔膜
• 1.3.2 纳米晶多孔膜的制备
• 1.3.3 DSSC中的半导体纳米晶多孔膜的改性研究
• 1.3.4 本节小结
• 1.4 论文研究的意义和主要内容
• 参考文献
• 第二章实 验方法和表征手段
• 2.1 实验方法
• 2.1.1 Sol-Gel法
• 2.1.2 静电纺丝方法
• 2.1.3 自组装方法介绍
• 2.2 试剂与实验仪器
• 2.3 表征手段
• 2.3.1 X射线衍射
• 2.3.2 场发射扫描电镜（FESEM）
• 2.3.3 紫外-可见分光光度计（UV-Vis）
• 2.3.4 拉曼光谱（Raman）
• 2.3.5 电池的性能测试
• 2.3.5.1 测试条件
• 2.3.5.2 开路电压（Voc）
• 2.3.5.3 短路电流（Isc）
• 2.3.5.4 光电转化效率
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 Sol-Gel法制备DSSC的光阳极
• 3.1 实验过程
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 XRD数据分析
• 3.2.2 表面形貌分析
• 3.2.3 紫外-可见光谱分析
• 3.2.3.1 染料的吸收光谱分析
• 2膜的吸收光谱分析'>3.2.3.2 染料敏化后的TiO₂膜的吸收光谱分析
• 3.2.3.3 数据分析
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 静电放丝法及电喷涂法制备DSSC光阳极
• 2纳米晶薄膜'>4.1 静电纺丝制备TiO₂纳米晶薄膜
• 4.2 实验结果和数据分析
• 4.2.1 样品的SEM图
• 4.2.2 太阳能电池参数的测量
• 4.3 电喷涂法制备DSSC
• 4.3.1 改变乙醇胺添加量制备DSSC
• 4.3.1.1 实验过程
• 4.3.1.2 实验结果和数据分析
• 4.3.2 乙醇胺添加量不变制备不同厚度的DSSC电极
• 4.3.2.1 实验过程
• 4.3.2.2 实验结果与数据分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 ZnO球制备染料敏化太阳能电池光阳极
• 5.1 实验过程
• 5.2 实验结果和数据处理
• 5.2.1 形貌表征
• 5.2.2 结构表征
• 5.2.3 太阳能电池性能的测量
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 附录
• 致谢