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液相沉积法制备染料敏化太阳能电池及其光电性能的研究

作 者: 宗海伦
导 师: 张青红
学 校: 东华大学
专 业: 材料加工工程
关键词: 染料敏化太阳能电池 液相沉积 锐钛矿相 二氧化钛 梯度结构
分类号: TM914.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
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内容摘要


染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells, DSSCs)以光电转换效率高、制备工艺简单、价格低廉等优点引起了各国研究者的高度关注。为了拓宽染料敏化太阳能电池的应用领域,早日进入工业化生产,科学家们尝试使用更简便、节能、高效的方法制备DSSCs,同时也有科学家们尝试利用轻便可弯折的柔性导电基板代替重量大、易破碎、昂贵的镀有铟锡金属氧化物导电层的玻璃来制备柔性DSSCs。目前制备染料敏化太阳能电池光阳极的方法有刮涂法和丝网印刷法,他们将分散有TiO2和粘结剂的浆料通过刮涂或丝网印刷的方法涂覆在导电基底上,随后通过高温煅烧去除粘结剂,留下TiO2多孔薄膜,再通过TiCl4稀溶液等来修饰,使TiO2网络连接更紧密。去除粘结剂的同时会使TiO2多孔薄膜产生大量裂纹,使TiO2颗粒间的连接性不好,内阻增大;其次,电极必须经过烧结以去除粘结剂并提高导电层与多孔层、多孔层内部TiO2晶粒的连接性。本论文提出了一种制备DSSCs光阳极的制备方法,液相沉积法:将导电玻璃浸泡在含Ti溶液中,加热促进水解,直接在导电玻璃表面形成一定厚度的光阳极。(1)以液相沉积法,60℃下在FTO导电玻璃基底上直接制备了颗粒大小为300-400nm,比表面积为152m2g-1的TiO2多孔薄膜,经高温烧结,敏化后作为染料敏化太阳能电池的光阳极,并进行组装测试,同时比较了不同基底预处理方式对电池性能的影响。结果表明,当采用溶胶作为晶种层旋涂在FTO导电玻璃上时,再沉积Ti02多孔薄膜,烧结、敏化后组装成染料敏化太阳能电池,其光电转换效率最高达4.39%。(2)为了进一步提高电池性能,我们设计一种梯度结构的光阳极,其中包括颗粒尺寸较大、薄膜孔径较大、比表面积较小的薄膜I,和颗粒尺寸较小、薄膜孔径较小、比表面积较大的薄膜Ⅱ。采用氧化钛溶胶对导电玻璃表面处理后,将旋涂有晶种层的基底放置在沉积溶液中,先以80℃为沉积温度,后以60℃为沉积温度,制备出具有梯度结构的光阳极,烧结、敏化后封装成染料敏化太阳能电池,最终光电转换效率平均为6.35%,最高为6.51%。(3)采用钛箔为基底,将其表面氧化为三维网络结构的Ti/TiO2薄膜,在通过80℃和60℃两种温度分别沉积氧化钛,得到梯度结构的光阳极,烧结、敏化后封装成染料敏化太阳能电池并测试其性能,并比较了不同基底预处理方式对电池性能的影响。结果表明,当对钛箔进行预处理使其表面具有三维网络结构后,再沉积梯度结构TiO2薄膜,得到的柔性DSSCs光电转换效率最高为3.09%。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章 绪论  13-41
  1.1 引言  13-14
  1.2 太阳能电池的分类  14-15
    1.2.1 硅基太阳能电池  14
    1.2.2 多元化合物薄膜电池  14
    1.2.3 聚合物太阳能电池  14-15
    1.2.4 染料敏化太阳能电池  15
  1.3 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理  15-17
    1.3.1 染料敏化太阳能电池的结构  15-16
    1.3.2 染料敏化太阳能电池工作原理  16-17
  1.4 染料敏化太阳能电池光阳极的研究进展  17-39
    1.4.1 刚性基底  17-33
      1.4.1.1 光吸收层  17-25
      1.4.1.2 光散射层  25-30
      1.4.1.3 阻挡层  30-33
    1.4.2 柔性基底  33-39
      1.4.2.1 金属箔基底(钛箔)  33-39
  1.5 本文研究的内容与目的  39-41
    1.5.1 课题的提出  39-40
    1.5.2 研究内容  40-41
第二章 恒温液相沉积法制备DSSCS光阳极及其光电性能  41-55
  2.1 实验部分  41
    2.1.1 主要试剂和材料  41
  2.2 表征手段  41-42
    2.2.1 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)  41
    2.2.2 X射线衍射  41-42
    2.2.3 氮气吸附-脱附等温线  42
    2.2.4 场发射扫描电镜(FE-SEM)  42
    2.2.5 透射电镜(TEM)  42
    2.2.6 光电化学性能测试  42
  2.3 实验过程  42-45
    2.3.1 FTO导电玻璃基底的清洗  42-43
    2.3.2 FTO导电玻璃基底的预处理  43
    2.3.3 液相沉积法制备染料敏化太阳能电池光阳极  43-44
    2.3.4 染料敏化太阳能电池对阳极的制备  44
    2.3.5 染料敏化太阳能电池的组装  44-45
  2.4 结果与讨论  45-54
    2.4.1 液相沉积法制备的光阳极UV-vis透过率  45-47
    2.4.2 液相沉积法制备的光阳极的FE-SEM  47-49
    2.4.3 液相沉积法制备的光阳极的XRD分析  49-50
    2.4.4 液相沉积法制备的光阳极的TEM  50-51
    2.4.5 液相沉积法制备的光阳极的比表面积测试  51-53
    2.4.6 液相沉积法制备的光阳极封装DSSCs的J-V测试  53-54
  2.5 本章小结  54-55
第三章 变温液相沉积法制备的梯度结构DSSCS光阳极及其光电性能  55-73
  3.1 实验部分  55
    3.1.1 主要试剂和材料  55
  3.2 表征手段  55-56
    3.2.1 X射线衍射  55
    3.2.2 氮气吸附-脱附等温线  55-56
    3.2.3 场发射扫描电镜(FE-SEM)  56
    3.2.4 透射电镜(TEM)  56
    3.2.5 光电化学性能测试  56
  3.3 实验过程  56-58
    3.3.1 FTO导电玻璃基底的清洗  56
    3.3.2 具有梯度结构的染料敏化太阳能电池光阳极的制备  56-57
    3.3.3 染料敏化太阳能电池对阳极的制备  57
    3.3.4 染料敏化太阳能电池的封装  57-58
  3.4 结果与讨论  58-72
    3.4.1 变温沉积DSSC光阳极的结构示意图  58-60
    3.4.2 80℃液相沉积法制备的TiO_2薄膜的FE-SEM  60-61
    3.4.3 液相沉积法制备的光阳极的XRD分析  61-62
    3.4.4 液相沉积法制备的光阳极的TEM  62-63
    3.4.5 液相沉积法制备的光阳极的比表面积测试  63-65
    3.4.6 液相沉积法制备的梯度结构光阳极的FE-SEM  65-66
    3.4.7 液相沉积法制备的光阳极封装DSSCs的J-V测试  66-69
    3.4.8 液相沉积法制备的光阳极封装DSSCs的IPCE测试  69-70
    3.4.9 液相沉积法制备的光阳极封装DSSCs的阻抗测试  70-72
  3.5 本章小结  72-73
第四章 液相沉积法制备的柔性DSSCS光阳极及其光电性能的初探  73-85
  4.1 实验部分  73
    4.1.1 主要试剂和材料  73
  4.2 表征手段  73-74
    4.2.1 X射线衍射  73
    4.2.2 氮气吸附-脱附等温线  73-74
    4.2.3 场发射扫描电镜(FE-SEM)  74
    4.2.4 透射电镜(TEM)  74
    4.2.5 光电化学性能测试  74
  4.3 实验过程  74-76
    4.3.1 钛箔的清洗  74
    4.3.2 钛箔的预处理  74
    4.3.3 液相沉积法制备染料敏化太阳能电池光阳极  74-75
    4.3.4 染料敏化太阳能电池对阳极的制备  75
    4.3.5 染料敏化太阳能电池的组装  75-76
  4.4 结果与讨论  76-84
    4.4.1 具有三维网络结构的钛箔的FE-SEM  76-77
    4.4.2 液相沉积法制备的TiO_2薄膜的FE-SEM  77-78
    4.4.3 液相沉积法制备的柔性光阳极的XRD分析  78-79
    4.4.4 液相沉积法制备的柔性光阳极的TEM  79-80
    4.4.5 液相沉积法制备的柔性光阳极组装DSSCs的J-V测试  80-82
    4.4.6 液相沉积法制备的柔性光阳极封装DSSCs的IPCE测试  82-83
    4.4.7 液相沉积法制备的柔性光阳极组装DSSCs的阻抗测试  83-84
  4.5 本章小结  84-85
第五章 全文总结  85-86
参考文献  86-95
硕士研宄生期间发表的成果  95-96
致谢  96

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术(直接发电) > 光电池 > 太阳能电池
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