染料敏化太阳能电池的高效化与耐久性研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSC)被称为第三代太阳能电池,具有光电转换效率高、制备工艺简单、成本低、原料丰富及环境友好等优点,引起了研究者的广泛关注。目前,基于金属钌联吡啶配合物染料、I3-/I-有机溶剂液态电解质的小面积DSC的光电转换效率已达11%,大面积DSC也获得了超过9%的光电转换效率。然而,由于有机溶剂电解质容易挥发,造成电池容易泄露,从而引起DSC光电性能下降。为了解决这些问题,开发高效的准固态电解质和不含有机溶剂的离子液体电解质十分必要。本文主要对准固态及离子液体电解质进行深入的研究。 为了提高聚合物准固态电解质与光阳极的界面接触,增强电解质对光阳极的浸润性,我们采用了在极性溶剂中具有较好溶解性和较高粘度的聚醋酸乙烯酯(PVAc)及具有优异吸液能力和溶解性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行共聚,并制备了基于乙腈(ACN)和3-甲氧基丙腈(MPN)为溶剂的全新准固态电解质(也可称为聚合物凝胶电解质,简称PGE)。优化了电解质中共聚物添加量,考察了TiO2纳米粒子的引入对电解质性能的影响。使用ACN溶剂的添加有5wt%TiO2纳米粒子的准固态电解质的DSC,获得了9.40%的光电转换效率,达到了相同条件下ACN溶剂液态电解质DSC性能的96.8%。1000h光照后,准固态电解质DSC能保持起始效率的96.7%,显示出了优越的长期耐久性。随后,通过采用丝网印刷法,将准固态电解质应用到大面积并联DSC中,获得了高于4%的光电转换效率。 在现有的大面积DSC制作工艺下,准固态电解质效率虽然较高,但其不易封装,因此应用受到限制。离子液体作为一种绿色溶剂具有不易挥发、较好的化学稳定性、较宽的电化学窗口等优点,而且可以通过真空灌装,非常适合用来制作大面积并联DSC。本文采用PMII/EMISCN二元离子液体电解质进行制作大面积DSC,考察了影响大面积DSC光电转换效率的各个因素。在最优条件下,最高效率超过了4%,实现了电池的高效化。分别考察了在室外光照和加热冷冻条件下DSC的稳定性,结果表明该电解质展现出了非常好的长期耐久性,为DSC的产业化奠定了基础。 最后,我们设计并合成了具有D-π-A结构的新型有机染料,并将其应用到DSC中,讨论了染料结构对电池性能的影响。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 准固态电解质 离子液体电解质 高效化 耐久性
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 绪论11-28
• 1.1 前言11
• 1.2 太阳能电池11
• 1.3 染料敏化太阳能电池11-22
• 1.3.1 DSC的结构12-19
• 1.3.2 DSC的工作原理19-21
• 1.3.3 DSC的测试方法及性能参数21-22
• 1.4 大面积并联DSC的结构及研究现状22-26
• 1.4.1 大面积并联DSC的结构22
• 1.4.2 大面积并联DSC的研究现状22-26
• 1.5 目前DSC存在的问题26
• 1.6 本论文的选题依据26-28
• 2 高效可印刷复合体系聚合物凝胶电解质在DSC中的应用28-40
• 2.1 实验所用试剂与仪器设备28-29
• 2.1.1 实验试剂及其纯化28-29
• 2.1.2 实验所用仪器设备29
• 2.2 DSC的制作29-32
• 2.2.1 光阳极的制备29-30
• 2.2.2 对电极的制备30
• 2.2.3 共聚物P(VAc-co-MMA)的合成30-31
• 2.2.4 电解质的配制31
• 2.2.5 DSC的组装31-32
• 2.3 测试32
• 2.3.1 傅里叶红外吸收光谱测试32
• 2.3.2 电导率测试32
• 2.3.3 光电性能测试32
• 2.3.4 电化学阻抗谱测试32
• 2.4 结果与讨论32-39
• 2.4.1 共聚物结构表征32-34
• 2.4.2 聚合物添加量对DSC性能的影响34-35
• 2.4.3 电解质的电导率研究35
• 2.4.4 添加TiO_2纳米粒子对电池性能的影响35-37
• 2.4.5 电化学阻抗测试分析37-38
• 2.4.6 小面积电池的耐久性研究38
• 2.4.7 聚合物凝胶电解质在并联大面积电池中的应用38-39
• 2.5 本章小结39-40
• 3 基于离子液体电解质大面积并联DSC的研究40-55
• 3.1 实验所用药品、试剂和仪器设备40-41
• 3.1.1 实验药品及试剂40
• 3.1.2 实验仪器设备40-41
• 3.2 实验材料的制备41
• 3.2.1 光阳极浆料的制备41
• 3.2.2 PMII/EMISCN电解质的配置41
• 3.3 大面积并联DSC的制作及测试方法41-42
• 3.3.1 大面积并联DSC的制作流程41-42
• 3.3.2 大面积并联DSC的测试方法42
• 3.4 大面积并联DSC的高效化研究42-54
• 3.4.1 光阳极浆料对DSC性能的影响42-44
• 3.4.2 Li~+对DSC性能的影响44-45
• 3.4.3 光阳极厚度对DSC性能的影响45-47
• 3.4.4 散射层对DSC性能的影响47-48
• 3.4.5 对电极对DSC性能的的影响48-50
• 3.4.6 电解质添加剂对DSC性能的影响50-51
• 3.4.7 与有机溶剂电解质的性能对比51-53
• 3.4.8 大面积DSC的耐久性研究53-54
• 3.5 本章小结54-55
• 4 有机D-7T-A染料的合成及其在DSC中的应用55-65
• 4.1 引言55
• 4.2 实验55-59
• 4.2.1 实验试剂、药品及分析仪器55-56
• 4.2.2 有机染料G-2的合成及结构表征56-58
• 4.2.3 光谱性质测试58
• 4.2.4 循环伏安法测试58
• 4.2.5 光电性能测试58-59
• 4.3 结果与讨论59-64
• 4.3.1 紫外-可见吸收光谱59
• 4.3.2 电化学性质研究59-62
• 4.3.3 光伏性能研究62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-75

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