TiO_2基染料敏化太阳能电池的制备

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell,简称DSSC)因其制作制作工艺简单、成本低廉、原材料丰富而越来越受到人们的重视。目前DSSC的光电转换效率还远低于其理论值,还有很大的提升空间,光阳极作为DSSC最为重要的部件,其性能将直接影响DSSC的光电性能。本文采用TiO2为光阳极材料,通过探索制备出性能较高的TiO2光阳极,主要研究内容和结果如下：(1)采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列,研究了电解质浓度、氧化时间、水含量等因素对纳米管的影响。当电解液中NH4F的浓度为0.5wt%、电压20V、氧化时间50h、水含量为1wt%时,所制备的纳米管长度、直径和壁厚分别为2.41 μm、50nm和10nm左右,所得DSSC的光电转化效率达到2.45%,光电转化性能最好。(2)采用水热法和溶剂热法合成三种不同形貌的TiO2纳米粉,通过比较得出用水热法制备的TiO2纳米粉体性能最好,颗粒尺寸在20-30nm之间,通过500℃煅烧成锐钛矿相,光电转化效率最高,达到6.41%。以水热法制备的TiO2光阳极效率最高,在此基础上,研究散射层、致密层和TiCl4表面修饰对电池性能的影响,通过研究发现,在光阳极表面添加一层400-500nm的大颗粒散射层可以增加入射光的利用率,将电池的光电转化效率提高17.9%,达到7.56%。(3)采用TiCl4水溶液对TiO2光阳极表面修饰,通过TiCl4水溶液处理染料吸附量增加,增加了界面电荷分离的效率,提升了Jsc,降低的电子复合率使电子浓度增加,补偿了由于导带带缘改变引起的Voc消耗,使光电转化效率提高11%,达到7.16%。(4)将非水解溶胶一凝胶法制备的TiO2纳米粉体应用于染料敏化太阳能电池致密层时,当致密层厚度为25nm、热处理温度为550℃保温15min时,短路电流为15.54 mA·cm-2,开路电压为0.72V,填充因子为0.7。所得光电转换效率最高达到7.89%,比无致密层的电池(效率6.41%)提高了23.1%。(5)通过醇热法制备了直径在300-700nm之间由粒径约为20nm的小颗粒组成的ZnO纳米球。通过硬模板法以ZnO纳米球为模板制备了TiO2粉体。TiO2球均是由大小约为5nm的TiO2小颗粒组成。将TiO2纳米球粉体制备成光阳极薄膜并组装成DSSC,得到的电池的光电转换效率为1.58%,开路电压为0.76V,短路电流为3.41 mA·cm-2,填充因子为0.61。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 TiO_2光阳极 纳米粒 纳米管纳米球光电性能
【学位授予单位】：景德镇陶瓷学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ134.11;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1. 引言9-10
• 2. 文献综述10-25
• 2.1 太阳能电池研究的发展过程简述10-11
• 2.2 染料敏化太阳能电池结构11-16
• 2.2.1 光阳极11
• 2.2.2 对电极11-12
• 2.2.3 电解液12-13
• 2.2.4 染料敏化剂13-16
• 2.3 光阳极材料概述16-18
• 2.3.1 TiO_2纳米晶光阳极材料16-17
• 2.3.2 TiO_2纳米管阵列17-18
• 2.3.3 TiO_2纳米空心球18
• 2.4 光阳极改性18-22
• 2.4.1 离子掺杂与取代18-19
• 2.4.2 表面修饰19-21
• 2.4.3 导电基本界面调控21-22
• 2.5 测试与表征22-23
• 2.5.1 X射线衍射分析(XRD)22
• 2.5.2 扫描电子显微镜(SEM)22
• 2.5.3 Ⅰ-Ⅴ测试22-23
• 2.5.4 电化学阻抗谱测试23
• 2.6 本论文研究意义和主要内容23-25
• 3 阳极氧化法制备TiO_2纳米管及其电池性能25-32
• 3.1 实验材料25
• 3.2 纳米管的制备25-26
• 3.2.1 钛片表面的预处理25-26
• 3.2.2 制备过程26
• 3.2.3 染敏电池的制备26
• 3.3 测试与表征26-27
• 3.3.1 形貌表征26-27
• 3.3.2 光电性能测试27
• 3.4 结果分析与讨论27-31
• 3.4.1 氧化时间对纳米管形貌的影响27-28
• 3.4.2 电解质浓度对纳米管形貌的影响28
• 3.4.3 水含量对纳米管形貌的影响28-29
• 3.4.4 表面腐蚀对纳米管形貌的影响29
• 3.4.5 DSSC性能29-31
• 3.5. 本章小结31-32
• 4 水热合成法制备TiO_2纳米粉体及其电池性能32-45
• 4.1 实验原料33
• 4.2 实验过程33-36
• 4.2.1 TiO_2纳米粉的制备33-34
• 4.2.2 TiO_2光阳极的制备34-35
• 4.2.3 光阳极膜的改性方法35-36
• 4.3 测试与表征36-37
• 4.3.1 物相分析36
• 4.3.2 形貌分析36-37
• 4.3.3 Ⅰ-Ⅴ测试37
• 4.4 结果分析与讨论37-44
• 4.4.1 TiO_2纳米粉和电池的性能37-39
• 4.4.2 散射层对电池性能的影响39-41
• 4.4.3 TiCl_4处理对TiO_2光阳极膜和电池性能影响41-42
• 4.4.4 致密层对电池性能的影响42-44
• 4.5 本章小结44-45
• 5 模板法制备TiO_2纳米空心球45-54
• 5.1 实验原料45-46
• 5.2 实验过程46-48
• 5.2.1 模板ZnO粉制备46
• 5.2.2 空心球制备46
• 5.2.3 TiO_2浆料的制备46-47
• 5.2.4 模板法原理图47-48
• 5.3 结果与讨论48-53
• 5.3.1 模板ZnO粉性能分析48-50
• 5.3.2 TiO_2空心球形貌表征50
• 5.3.3 TiO_2空心球的晶体结构分析50-51
• 5.3.4 TiO_2空心球的EDS能谱测试51-52
• 5.3.5 光电性能测试52-53
• 5.4 本章小结53-54
• 创新点54-55
• 结论55-56
• 不足与展望56-58
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-65

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