染料敏化太阳能电池碳纳米管对电极和二氧化钛光阳极的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池由于自身的低成本、环境友好、在弱光条件下性能良好及制备流程简单等特性,引起了工业界和学术界的广泛关注。在染料敏化太阳能电池中,对电极催化还原电解质的能力、光阳极的结构及对染料的吸附量等都是影响染料敏化太阳能电池效率的关键因素。本论文从染料敏化太阳能电池的碳纳米管对电极和二氧化钛光阳极两个方面进行研究来提高电池效率并降低器件成本,主要研究内容如下:1.将不同形貌的碳纳米管应用到染料敏化太阳能电池对电极,作为Pt电极的替代材料。研究发现长的碳纳米管比短的碳纳米管有更好的电催化活性,以长碳纳米管为对电极的电池获得了2.42%的光电转换效率,比短的碳纳米管的效率提高了19.8%;阵列碳纳米管比长碳纳米管的电催化活性更好,其相应的染料敏化太阳能电池获得了2.95%的光电转换效率。然而,由于碳纳米管极易团聚,影响了其电催化活性,故采用溶菌酶、十六烷基氯化吡啶、脱氧胆酸钠及聚乙二醇辛基苯基醚等表面活性剂等对碳纳米管进行非共价修饰来提高碳纳米管的分散性并将其应用于染料敏化太阳能电池对电极。在修饰后的碳纳米管中,聚乙二醇辛基苯基醚修饰的碳纳米管具有更好的分散性和电催化性能,以其为对电极的电池性能也是最优的。2.以硫酸钛为前驱体,采用水热法制备出不同表面形貌的二氧化钛微球,并将其应用于染料敏化太阳能电池光阳极。研究发现,与结构紧实的二氧化钛微球相比,结构疏松、表面粗糙且结晶度更好的二氧化钛微球作为光阳极,染料敏化太阳能电池可以表现出更好的光电性能。为了进一步增加光阳极薄膜的附着力,以不同添加量的钛酸丁酯为前驱体,盐酸及去离子水作为溶剂,通过水热法在不同温度下直接在FTO导电玻璃衬底上生长二氧化钛纳米花。当调整水热反应体系中钛前驱体的用量为1.5ml时,生长出形貌均一的二氧化钛纳米花,以之作为光阳极的电池能够获得最高的光电转换效率(1.83%)。进而调整反应温度,当反应温度从150℃升高165℃,相应的电池效率从0.14%提高至0.39%;当反应温度降低至135℃,相应的电池效率也降低。结果说明直接生长二氧化钛纳米膜体系反应温度的升高有利于改善染料敏化太阳能电池性能。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 碳纳米管 二氧化钛 非共价法修饰 微球 纳米花
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 染料敏化太阳能电池的发展10-11
• 1.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理11-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池重要组成部分对电池性能的影响13-17
• 1.3.1 染料敏化剂13-14
• 1.3.2 氧化还原电解质14
• 1.3.3 对电极14-15
• 1.3.4 光阳极15-17
• 1.4 染料敏化太阳能电池的主要评价参数17-19
• 1.5 本论文的设计思想和研究内容19-22
• 第二章 实验方案及表征方法22-28
• 2.1 实验原料、试剂及仪器22-24
• 2.2 样品表征方法24-28
• 2.2.1 粉体样品的表征24-25
• 2.2.2 光阳极的表征方法25-26
• 2.2.3 对电极的表征方法26-27
• 2.2.4 电池光伏性能测试27-28
• 第三章 不同形貌碳纳米管在DSSCs对电极的应用28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 实验部分28-31
• 3.2.1 实验材料28-29
• 3.2.2 对电极的制备29-30
• 3.2.3 TiO_2光阳极的制备30-31
• 3.2.4 电池的组装31
• 3.3 结果与讨论31-39
• 3.3.1 碳纳米管长度对DSSCs性能的影响31-35
• 3.3.2 碳纳米管取向性对DSSCs性能的影响35-36
• 3.3.3 电极制备工艺对电极和电池性能的影响36-39
• 3.4 小结39-40
• 第四章 非共价功能化碳纳米管在DSSCs对电极的应用40-54
• 4.1 引言40
• 4.2 实验部分40-43
• 4.2.1 实验材料40
• 4.2.2 非共价功能化碳纳米管的制备40-41
• 4.2.3 染料敏化太阳能电池对电极的制备41-42
• 4.2.4 二氧化钛光阳极的制备42
• 4.2.5 染料敏化太阳能电池的组装42-43
• 4.3 结果与讨论43-52
• 4.3.1 碳纳米管的功能化43-46
• 4.3.2 染料敏化太阳能电池的光电性能46-49
• 4.3.3 染料敏化太阳能电池的循环伏安测试49-50
• 4.3.4 染料敏化太阳能电池的光电特性50-52
• 4.4 小结52-54
• 第五章 水热法合成二氧化钛微球在DSSCs光阳极的应用54-64
• 5.1 引言54
• 5.2 实验部分54-56
• 5.2.1 二氧化钛粉末的制备54-55
• 5.2.2 二氧化钛光阳极的制备55-56
• 5.2.3 Pt对电极的制备56
• 5.2.4 染料敏化太阳能电池的组装56
• 5.3 结果与讨论56-62
• 5.3.1 二氧化钛微球56-60
• 5.3.2 染料敏化太阳能电池的光电性能60-62
• 5.4 小结62-64
• 第六章 直接在FTO玻璃上生长二氧化钛纳米花及其在DSSCs光阳极的应用64-78
• 6.1 引言64
• 6.2 实验部分64-65
• 6.2.1 二氧化钛纳米花的制备64-65
• 6.2.2 Pt对电极的制备65
• 6.2.3 染料敏化太阳能电池的组装65
• 6.3 结果与讨论65-76
• 6.3.1 不同的钛前驱体用量对二氧化钛纳米花及相应DSSCs的影响65-71
• 6.3.2 不同反应温度对二氧化钛纳米花及相应DSSCs的影响71-76
• 6.4 小结76-78
• 第七章 结论与展望78-80
• 参考文献80-90
• 攻读硕士期间发表的学术论文90-92
• 致谢92

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