染料敏化太阳能电池光阳极的改性及性能研究

【摘要】：本论文主要研究非金属元素氮（N）、稀土金属元素镧（La）、铈（Ce）、钐（Sm）对纳米晶TiO2颗粒的掺杂改性，以及钐和氮的共掺杂，并将其应用在染料敏化太阳能电池光阳极中。实验中，分别采用传统的湿法制备氮掺杂TiO2纳米粒子和水热合成法制备稀土离子掺杂TiO2纳米粒子，并制备成光阳极组装电池，通过一系列分析方法对其光、电化学性质进行研究，并对反应条件、掺杂量等进行了工艺优化。主要工作内容如下： 1）采用湿法制备了氮掺杂TiO2纳米粒子，研究了不同搅拌时间及氨水添加量对由其制备的光阳极组装的电池光电性能的影响，确定了最优条件是搅拌时间为1.5h，氨水添加量为50ml。在最优的反应条件下，引入尿素作为第二个氮源进行双氮掺杂，得到最优化的尿素添加量为0.5g，得到7.58%的光电转换效率。 2）采用水热法制备了稀土离子掺杂的TiO2纳米粒子，探讨了最优稀土硝酸盐添加量为1g P25中掺杂0.05g稀土硝酸盐。分别选择了La(NO3)3、Ce(NO3)3、Sm(NO3)3对纳米TiO2粒子进行掺杂，通过不同的染料N719和卟啉进行敏化对比，从光电流密度提升的角度进一步证明了稀土离子下转换发光对染料敏化太阳能电池光电性能的影响，分别得到了6.43%（N719染料敏化）、3.62%（卟啉染料敏化）的转换效率。 3）选取了氮元素和硝酸钐，采用水热法进行共掺杂纳米TiO2粒子的制备。并用其制备光阳极组装电池进行光电性能测试，得到的转化效率相较于单一的氮掺杂和单一硝酸钐掺杂并没有获得显著的提高。通过研究机理认为，氮掺杂和钐掺杂一定程度上都是提高染料敏化太阳能电池对可见光的吸收，因此两者之间并没有协同作用。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 氮掺杂 双氮源 稀土离子掺杂 共掺杂
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-23
• 1.1 引言7
• 1.2 太阳能电池的发展7-9
• 1.2.1 硅基太阳能电池7-8
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池8
• 1.2.3 基于有机化合物材料的太阳能电池8-9
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池9
• 1.3 染料敏化太阳能电池9-14
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的发展9
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理9-12
• 1.3.2.1 染料敏化剂9-10
• 1.3.2.2 光阳极10-11
• 1.3.2.3 对电极和导电基底11
• 1.3.2.4 电解质11-12
• 1.3.3 染料敏化太阳能工作原理12-13
• 1.3.4 染料敏化太阳能电池光电性能的参数13-14
• 1.4 光阳极纳米 TiO2材料的研究14-18
• 1.4.1 离子掺杂15-16
• 1.4.2 表面修饰16-17
• 1.4.3 复合半导体膜17-18
• 1.5 本课题的研究背景及内容18-23
• 1.5.1 本课题的研究背景18-21
• 1.5.2 本论文的研究内容21-23
• 第二章 N 掺杂二氧化钛的制备及光电性能研究23-43
• 2.1 引言23
• 2.2 实验部分23-29
• 2.2.1 实验药品及原料23-24
• 2.2.2 实验分析仪器24-25
• 2.2.3 TiO2粉体的制备25-26
• 2.2.4 电池的组装26-28
• 2.2.5 表征与电池性能测试28-29
• 2.3 结果与讨论29-41
• 2.3.1 搅拌时间对效率的影响29-30
• 2.3.2 氨水添加量对效率的影响30-31
• 2.3.3 引入尿素作为双氮源的研究31-40
• 2.3.4 尿素添加量的研究40-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第三章 系列稀土元素掺杂二氧化钛的制备及光电性能研究43-59
• 3.1 引言43
• 3.2 实验部分43-46
• 3.2.1 实验材料与实验仪器43-44
• 3.2.2 稀土离子掺杂 TiO2粉末的制备44-45
• 3.2.3 电池的组装45-46
• 3.2.4 材料表征与电池性能测试46
• 3.3 结果与讨论46-58
• 3.3.1 稀土元素 Sm 掺杂量最优化实验46-48
• 3.3.2 系列稀土离子掺杂实验48-56
• 3.3.3 Sm、N 共掺杂实验探讨56-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 结论59-60
• 参考文献60-68
• 发表的论文和参加的科研情况说明68-69
• 致谢69

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