染料敏化太阳能电池高原植物染料敏化剂的提取与共敏化研究

【摘要】：在太阳能电池中,染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells,简称DSC)是一种新型的太阳能电池,它是1991年由瑞士科学家Michael Gr?tzel和Brian O,Regan发明的。DSC经过20多年的发展光电转换效率得到了稳步的提高,1997年报道的最高效率为7.1%,目前文献报道的最高效率为13%。但其还未能达到大规模的产业化,其中一个非常重要的原因是大多数DSC中的敏化剂均以人工合成染料为主,而人工合成染料含有贵金属元素,合成过程复杂,分离困难,成本高,且污染环境,致使其大规模推广使用受到限制。近年来天然染料以其来源广泛,提取方法简单,成本低廉,摩尔吸光系数高,且无环境污染,已成为染料敏化剂领域研究的新热点。青海具有海拔高、紫外线照射时间长、拥有许多青藏高原特有的植物等特点,因而研究开发高原天然染料敏化剂具有非常突出的地域优势。以青藏高原普遍存在的格桑花染料作为DSC的敏化剂,对其光电化学性能进行了研究。1、从四种高原植物——菠菜、金莲花、喇叭花和格桑花中提取天然染料,并对其进行光吸收性能测试。以格桑花染料和菠菜染料分别作为敏化剂组装DSC,并对其光电性能和两中染料在Ti O2表面的吸附方式进行了研究。2、采用柱色谱对格桑花染料进行分离,对分离所得各组分的光、热稳定性能进行了研究。以光、热稳定性能良好的组分为敏化剂组装DSC,并对其光电性能进行研究。3、采用花青素和β-胡萝卜素作为敏化剂,研究了共敏化方式对DSC光吸收性能和电池性能的影响。讨论了共敏化比例、共敏化浓度和共敏化时间对DSC光电性能的影响,发现花青素和β-胡萝卜素共敏化的最佳敏化条件为体积比1:1,时间为15 min,浓度为花青素11.53 mg/m L,β-胡萝卜素1.18 mg/m L。4、采用电化学方法研究了花青素、β-胡萝卜素、两者混合物和添加了共吸附剂分子的混合物的能级位置,并分析不同溶液与Ti O2薄膜以及电解液间的能级匹配关系,在此基础上讨论了共敏化的机理和脱氧胆酸对天然染料共敏化太阳能电池光电性能的影响。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 天然敏化剂 提纯 共敏化 共吸附剂
【学位授予单位】：青海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4;O621.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 选题的背景和意义10-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池概述12-20
• 1.2.1 DSC的结构与工作原理12-13
• 1.2.2 DSC性能的影响因素13-20
• 1.2.2.1 光阳极13
• 1.2.2.2 染料敏化剂13-19
• 1.2.2.3 电解液19
• 1.2.2.4 对电极19-20
• 1.3 DSC的主要性能参数20-22
• 1.3.1 短路电流密度JSC20
• 1.3.2 开路电压VOC20-21
• 1.3.3 填充因子FF21
• 1.3.4 能量转换效率 η21
• 1.3.5 量子效率IPCE21-22
• 1.4 本论文的研究思路22-23
• 第2章 实验试剂、仪器和方法23-26
• 2.1 实验试剂及仪器23-24
• 2.1.1 本论文中所用的试剂23
• 2.1.2 实验所需仪器23-24
• 2.2 DSC的组装24-26
• 2.2.1 光阳极的制备24-25
• 2.2.2 对电极的制备25
• 2.2.3 电解液25
• 2.2.4 DSC的组装25-26
• 第3章 高原天然染料敏化剂的研究26-33
• 3.1 引言26
• 3.2 实验部分26-27
• 3.2.1 菠菜中色素的提取26
• 3.2.2 金莲花中色素的提取26
• 3.2.3 喇叭花中色素的提取26-27
• 3.2.4 格桑花中色素的提取27
• 3.3 结果与讨论27-31
• 3.3.1 天然染料的紫外可见吸收光谱27-28
• 3.3.2 染料敏化太阳能电池光电性能测试28-29
• 3.3.3 红外光谱测试29-30
• 3.3.4 稳定性测试30-31
• 3.4 本章小结31-33
• 第4章 格桑花染料的分离33-40
• 4.1 引言33
• 4.2 色素的分离33-34
• 4.2.1 萃取33
• 4.2.2 柱色谱分离33-34
• 4.3 结果与讨论34-39
• 4.3.1 光照时间对格桑花色素各组分稳定性的影响34-36
• 4.3.2 温度对格桑花 D 组分稳定性的影响36-37
• 4.3.3 D组分色素的FTIR光谱37-38
• 4.3.4 光电性能测试38-39
• 4.4 本章小结39-40
• 第5章 天然染料共敏化的研究40-54
• 5.1 引言40
• 5.2 天然染料的制备40-42
• 5.2.1 格桑花色素的制备40
• 5.2.2 胡萝卜色素的制备与提纯40-41
• 5.2.3 染料敏化太阳能电池的组装41-42
• 5.3 结果与讨论42-52
• 5.3.1 敏化剂的光吸收性能42-44
• 5.3.2 共敏方式的选择44-47
• 5.3.3 共敏比例对 DSC 光电性能的影响47-48
• 5.3.4 共敏剂浓度对DSC光电性能的影响48-50
• 5.3.5 共敏化时间对DSC光电性能的影响50-52
• 5.4 本章小结52-54
• 第6章 天然染料共敏化DSC的电化学性能研究54-67
• 6.1 引言54
• 6.2 实验部分54-56
• 6.2.1 天然染料的表征54-55
• 6.2.2 不同光阳极的制备55-56
• 6.3 结果与讨论56-65
• 6.3.1 花青素、β-胡萝卜素及其混合物在乙醇中的紫外可见吸收光谱56
• 6.3.2 天然染料的循环伏安曲线56-60
• 6.3.3 不同敏化体系作为敏化剂组装的DSC的光电性能60-61
• 6.3.4 共吸附剂浓度对共敏化DSC光电性能的影响61-63
• 6.3.5 TiO_2薄膜厚度对天然染料共敏化DSC光电性能的影响63-65
• 6.4 结果与讨论65-67
• 第7章 结论67-69
• 7.1 创新点67
• 7.2 总结67-69
• 参考文献69-76
• 致谢76-77
• 个人简历77-78
• 第一作者发表的学术论文78

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