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染料敏化太阳能电池新型TiO_2薄膜电极的制备及性能

作　者: 李胜军
导　师: 杨世伟
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: 染料敏化太阳能电池纳晶TiO2薄膜电极 ZnO修饰 I3-离子扩散孔隙结构
分类号: TM914.4
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

在过去近二十年里，染料敏化纳晶太阳能电池一直是世界各国能源研究的热点课题。染料敏化纳晶太阳能电池已经成为最有可能取代传统的p-n结太阳能电池的光电转换器件。纳晶TiO₂薄膜电极是染料敏化太阳能电池的重要组成部分。本论文制备了ZnO修饰的纳晶TiO₂薄膜电极和具有规则球形大孔的纳晶TiO₂薄膜电极，并对所制备的新型TiO₂薄膜电极及其组成电池的性能进行了详细的研究。采用溶胶．凝胶水热法制备了锐钛矿结构的纳晶TiO₂薄膜电极，采用EC/PC电解质体系组装染料敏化太阳能电池。并通过对纳晶TiO₂薄膜太阳能电池中电解质体系的吸光度、交流阻抗、暗电流等参数的测量，研究了I₂和KI含量对电池光电性能的影响原因。在溶胶．凝胶水热法制备TiO₂胶体的过程中，加入醋酸锌，制备了ZnO修饰的TiO₂薄膜电极。在（EC:PC=1:1，V/V）+0.5mol/L KI+0.05mol/L12+0.05mol/L LiI电解质体系中，利用ZnO修饰的TiO₂薄膜电极组装的电池光电转换效率可达到5.89%，相对于纯TiO₂薄膜电极组装的电池提高了20%。通过暗电流、瞬态光电流、交流阻抗以及平带电位等测试探讨了ZnO修饰提高电池光电性能的机理。添加适量聚丙烯腈到EC/PC电解质体系（（EC:PC=1:1，V/V）+0.5mol/LKI+0.05mol/L U2）形成准固态电解质，组装了准固态染料敏化太阳能电池，研究了电池中的离子扩散性能和光电性能。发现随着电解质体系粘度的增加，I₃^-离子扩散系数急剧下降，进而在准固念染料敏化太阳能电池的光电转换过程中形成新的速控步骤I₃^-离子的扩散过程。通过TiO₂薄膜电极厚度、电解质中I2添加量等因素对I₃^-离子扩散及电池光电性能的影响研究，进一步证实在准固念染料敏化太阳能电池中I₃^-离子扩散过程很可能是电池光电转换过程的速控步骤。采用种子乳液聚合的方法制备了形状规则、颗粒分布均匀的聚苯乙烯微球，将制备的聚苯乙烯微球作为造孔剂应用到纳晶TiO₂薄膜电极的制备过程中，制备了含有规则球形孔隙的纳晶TiO₂薄膜电极。规则球形孔隙的存在提高了纳晶TiO₂薄膜电极的光散射性能，进而提高薄膜电极的吸光效率。比较I₃^-离子在不同孔隙结构纳晶TiO₂薄膜电极中的扩散性能，发现纳晶TiO₂薄膜电极的孔隙结构对I₃^-离子的扩散性能具有很大的影响，而且随着电解质粘度的增大，影响越来越明显。I₃^-离子在具有规则球形孔隙结构的纳晶TiO₂薄膜电极中具有较好的扩散性能，而且在含有200nm规则球形大孔的纳晶TiO₂薄膜电极中扩散性能最佳。将含有200nm规则球形大孔的纳晶TiO₂薄膜电极应用在准固态染料敏化太阳能电池中，可以削弱I₃^-离子扩散对电池光电性能的影响，提高电池在高光强下的短路光电流。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-37
   1.1 太阳能电池的研究进展  14-17
   1.2 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理  17-22
     1.2.1 染料敏化太阳能电池的基本结构  17-18
     1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理  18-22
   1.3 染料敏化太阳能电池各组成部分对电池光电性能的影响  22-31
     1.3.1 纳晶TiO_2工作电极  22-25
     1.3.2 染料光敏化剂  25-27
     1.3.3 电解质  27-29
     1.3.4 对电极  29-31
   1.4 染料敏化太阳能电池新型TiO_2薄膜电极的研究进展  31-34
     1.4.1 金属氧化物修饰TiO_2薄膜电极的研究进展  31-33
     1.4.2 新型形貌TiO_2薄膜电极的研究进展  33-34
   1.5 本课题的提出及实验路线  34-37
第2章实验材料、仪器及表征方法  37-43
   2.1 实验材料  37-38
   2.2 实验仪器  38
   2.3 纳晶TiO_2材料表征方法  38-39
     2.3.1 纳晶TiO_2薄膜的晶型结构表征  38-39
     2.3.2 纳晶TiO_2薄膜的形貌表征  39
     2.3.3 纳晶TiO_2薄膜染料吸附量的测量  39
   2.4 光电化学测量方法  39-41
     2.4.1 光电转换效率的测量  39-40
     2.4.2 瞬念光电流的测量  40
     2.4.3 平带电位的测量  40-41
    2.4.4 离子极限扩散电流的测量  41
     2.4.5 电化学交流阻抗的测量  41
   2.5 本章小结  41-43
第3章纳晶TiO_2薄膜太阳能电池的制备及电解质对其性能的影响  43-53
   3.1 引言  43
   3.2 纳晶TiO_2薄膜电极的制备  43-45
     3.2.1 TiO_2胶体的制备  43-44
     3.2.2 导电玻璃基底的预处理  44-45
     3.2.3 纳晶TiO_2薄膜电极的制备  45
   3.3 纳晶TiO_2薄膜电极的晶型结构及形貌  45-47
     3.3.1 纳晶TiO_2薄膜电极的SEM图谱  45-46
     3.3.2 纳晶TiO_2薄膜电极的XRD图谱  46-47
   3.4 电解质组分对纳晶TiO_2薄膜太阳能电池光电性能的影响  47-51
     3.4.1 染料敏化太阳能电池的组装及光电测量  47
     3.4.2 EC/PC电解质体系中I_2含量对电池光电性能的影响  47-50
     3.4.3 EC/PC电解质体系中KI含量对电池光电性能的影响  50-51
   3.5 结论  51-53
第4章 ZnO修饰纳晶TiO_2薄膜电极的制备及性能研究  53-67
   4.1 引言  53-54
   4.2 ZnO修饰纳晶TiO_2薄膜电极的制备及表征  54-56
     4.2.1 ZnO修饰纳晶TiO_2薄膜电极的制备  54-55
     4.2.2 ZnO修饰纳晶TiO_2薄膜电极的表征  55-56
   4.3 ZnO修饰纳晶TiO_2薄膜电极在太阳能电池中的应用  56-65
     4.3.1 染料敏化太阳能电池的电极及电解液  56
     4.3.2 锌添加量对电池光电流一光电压曲线的影响  56-58
     4.3.3 锌添加量对纳晶TiO_2薄膜电极暗电流的影响  58-59
     4.3.4 锌添加量对纳晶TiO_2薄膜电极瞬态光电流谱的影响  59-60
    4.3.5 锌添加量对纳晶TiO_2薄膜电极阻抗图谱的影响  60-62
     4.3.6 锌添加量对纳晶TiO_2薄膜电极平带电位的影响  62-63
     4.3.7 LiI对ZnO修饰纳晶TiO_2薄膜太阳能电池光电性能的影响  63-65
   4.4 本章小结  65-67
第5章准固态染料敏化太阳能电池中离子扩散性能研究  67-87
   5.1 引言  67-68
   5.2 聚丙烯腈基EC/PC准固态电解质的制备  68-69
   5.3 离子扩散性能的表征方法  69-72
     5.3.1 超微电极法  69-70
     5.3.2 薄层电池法  70-72
   5.4 添加聚丙烯腈的EC/PC电解质中离子扩散性能研究  72-80
     5.4.1 聚丙烯腈添加量对离子扩散性能的影响  72-77
     5.4.2 I_2添加量对离子扩散性能的影响  77-79
     5.4.3 纳晶TiO_2薄膜电极厚度对离子扩散性能的影响  79-80
   5.5 添加聚丙烯腈的EC/PC电解质组成电池的光电性能研究  80-85
     5.5.1 电解质体系中聚丙烯腈添加量对电池光电性能的影响  80-81
     5.5.2 电解质体系中I_2添加量对电池光电性能的影响  81-83
     5.5.3 纳晶TiO_2薄膜电极厚度对电池光电性能的影响  83-85
   5.6 本章小结  85-87
第6章含规则球形孔隙结构纳晶TiO_2薄膜电极的制备及性能研究  87-97
   6.1 引言  87-88
   6.2 聚苯乙烯微球的制备及表征  88-89
     6.2.1 实验材料  88
     6.2.2 聚苯乙烯微球的制备  88
     6.2.3 聚苯乙烯微球的表征  88-89
   6.3 含规则球形孔隙结构纳晶TiO_2薄膜电极的研究  89-96
     6.3.1 含规则球形孔隙结构纳品TiO_2薄膜电极的制备  89-90
    6.3.2 含规则球彤孔隙结构纳晶TiO_2薄膜电极的形貌  90-92
     6.3.3 含规则球形孔隙结构纳晶TiO_2薄膜电极的光散射性能  92-94
     6.3.4 含规则球形孔隙结构纳晶TiO_2薄膜在太阳能电池中的应用  94-96
   6.4 小结  96-97
第7章纳晶TiO_2薄膜电极孔隙结构对离子扩散性能的影响  97-117
   7.1 引言  97-98
   7.2 不同孔隙结构纳晶TiO_2薄膜电极的制备及形貌  98-100
     7.2.1 不同孔隙结构纳晶TiO_2薄膜电极的制备  98
     7.2.2 不同孔隙结构纳晶TiO_2薄膜电极的形貌  98-100
   7.3 纳晶TiO_2薄膜孔隙结构对离子扩散性能的影响  100-110
   7.4 含规则大孔TiO_2薄膜电极在准固态太阳能电池中的应用  110-116
   7.5 本章小结  116-117
结论  117-121
参考文献  121-146
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  146-147
致谢  147

染料敏化太阳能电池新型TiO_2薄膜电极的制备及性能

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