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色素增感薄膜太阳能电池电极研究

作　者: 高岩
导　师: 胡志强
学　校: 大连工业大学
专　业: 材料学
关键词: 柔性色素增感太阳能电池 TiO2薄膜 ZnO 薄膜水热法丝网印刷电沉积
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

柔性色素增感太阳能电池是以高分子透明导电薄膜为基底材料的新型电池，其主要特点是成本相对较低、原料无污染、应用范围广泛，适应机械化、滚筒式生产。多孔TiO2薄膜是目前应用最为广泛的电极材料，这是因为锐钛矿型TiO2是良好的半导体，禁带宽度为3.2eV，但因为吸收范围位于紫外区，需要增感色素才能吸收可见光区的能量。ZnO薄膜也属于宽禁带半导体材料，因此成为最有希望取代TiO2的半导体材料。正是由于TiO2和ZnO薄膜在紫外和红外光谱范围内具有强烈的吸收作用，可以用作优质的太阳能电池的透明电极。本文首先采用丝网印刷技术和水热法相结合，在柔性ITO/PET基底上制备了TiO2多孔薄膜，在分析优化丝网印刷目数、分散剂、水热烧结温度、水热烧结时间等工艺参数的同时，进一步将水热法与传统马弗炉低温烧结进行对比分析。然后采用丝网印刷技术和电沉积法制备了ZnO多孔薄膜。通过X射线衍射仪对比分析水热烧结前后，丝网印刷技术和溶胶－凝胶法制备的TiO2薄膜的晶相组成；使用金相显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜观察TiO2薄膜和ZnO薄膜的表面形貌及横断面形貌；使用紫外－可见分光光度计测定TiO2薄膜和ZnO薄膜在不同的配比、球磨时间及保温时间下的吸光度；使用数字式四探针测试仪测定热处理前后柔性导电基底的方块电阻；使用恒电位仪测定电沉积法制备的ZnO薄膜的电极电势；使用太阳能电池测定仪在模拟太阳光条件下，测定柔性色素增感太阳能电池的光电转换效率。结果表明：当P25为4g，加入20ml乙醇进行球磨6h后，采用200目丝网印刷涂膜，放入水热釜中，100℃水热烧结12h，TiO2薄膜电极的光电转换效率达到1.92％。采用相同的丝网印刷技术，在马弗炉中低温烧结得到的TiO2电极光电转换性能为1.33％。表明采用水热法制备TiO2薄膜电极更有助于提高电池的光电转换性能。当P25为5g，加入35ml乙醇进行球磨4h后，采用200目丝网印刷涂膜，100℃马弗炉低温处理后，制备的ZnO多孔薄膜表面形貌良好，测得光电转换效率为0.2％。以0.1mol/LZn(NO3)2溶液为电解液，pH值在5.0±0.1范围内，阴极电沉积制备ZnO薄膜，溶液温度为65℃，制备的薄膜表面较为均匀。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章引言  10-12
第二章文献综述  12-31
  2.1 色素增感太阳能电池的特点  12-13
  2.2 色素增感太阳能电池的结构和工作原理  13-15
  2.3 色素增感太阳能电池的基底材料  15-16
    2.3.1 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）  15-16
    2.3.2 聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）  16
  2.4 透明导电氧化物薄膜  16-17
  2.5 TIO_2多孔薄膜的制备  17-21
    2.5.1 电泳沉积法  18
    2.5.2 微波烧结法  18-19
    2.5.3 紫外－化学气相沉积法  19
    2.5.4 胶体涂膜低温烧结法  19-20
    2.5.5 水热法  20-21
    2.5.6 机械压制沉积法  21
  2.6 ZNO 薄膜的制备  21-23
  2.7 增感色素的研究进展  23-24
  2.8 电解质的研究进展  24-27
    2.8.1 液体电解质  24-25
    2.8.2 准固体电解质  25-26
    2.8.3 固体电解质  26-27
  2.9 对电极的制备  27-28
    2.9.1 铂电极  27-28
    2.9.2 碳电极  28
    2.9.3 镍电极  28
  2.10 色素增感太阳能电池存在问题及展望  28-30
    2.10.1 柔性导电基底的选择  29
    2.10.2 TiO_2薄膜及其替代物的低温制备方法的开发  29
    2.10.3 共增感  29-30
    2.10.4 柔性基底上对电极的制备  30
  2.11 本文的研究特色和创新之处  30-31
    2.11.1 本文的研究特色  30
    2.11.2 本论文的创新之处  30-31
第三章实验  31-40
  3.1 TIO_2薄膜电极的制备  31-34
    3.1.1 实验原料  31-32
    3.1.2 实验仪器  32
    3.1.3 ITO/PET 柔性基底的清洗  32-33
    3.1.4 多孔 TiO_2薄膜的制备  33-34
  3.2 ZNO 薄膜的制备  34-37
    3.2.1 丝网印刷法制备 ZnO 多孔薄膜  34-35
    3.2.2 电沉积法制备 ZnO 薄膜  35-37
  3.3 对电极的制备  37-38
  3.4 增感色素的配制  38
  3.5 液体电解质的制备  38
  3.6 DSSC 电池的组装  38-39
  3.7 分析测试方法  39-40
    3.7.1 TiO_2晶型分析  39
    3.7.2 TiO_2薄膜表面形貌  39
    3.7.3 TiO_2薄膜吸光度  39
    3.7.4 ZnO 薄膜表面形貌  39
    3.7.5 ZnO 薄膜吸光度  39
    3.7.6 柔性导电 ITO/PET 方块电阻  39
    3.7.7 DSSC 电池性能测试  39-40
第四章结果与讨论  40-70
  4.1 TIO_2薄膜的物相分析  40-41
  4.2 多孔 TIO_2薄膜的表面形貌  41-46
    4.2.1 金相显微镜分析  41-42
    4.2.2 扫描电子显微镜分析  42-44
    4.2.3 原子力显微镜分析  44-45
    4.2.4 多孔 TiO_2薄膜横断面形貌分析  45-46
  4.3 TIO_2薄膜的吸光度分析  46-50
    4.3.1 配比对薄膜吸光性能的影响  46-48
    4.3.2 球磨时间对薄膜吸光性能的影响  48-49
    4.3.3 保温时间对薄膜吸光性能的影响  49-50
  4.4 ZNO 薄膜的表面形貌  50-54
    4.4.1 金相显微镜分析  50-51
    4.4.2 扫描电子显微镜分析  51-53
    4.4.3 原子力显微镜分析  53-54
  4.5 ZNO 薄膜的吸光度分析  54-56
    4.5.1 配比对薄膜吸光性能的影响  54-55
    4.5.2 球磨时间对薄膜吸光性能的影响  55-56
  4.6 电池性能分析  56-64
    4.6.1 低温烧结 TiO_2电极的 I-V 性能  56-59
    4.6.2 水热烧结 TiO_2电极的 I-V 性能  59-61
    4.6.3 ZnO 电极的 I-V 性能  61-64
  4.7 电沉积 ZNO 薄膜的反应机理研究  64-70
    4.7.1 电沉积 ZnO 薄膜的反应机理研究  64-66
    4.7.2 反应条件的影响  66-70
第五章结论  70-71
参考文献  71-76
致谢  76-77
硕士期间发表的学术论文及其它成果  77

色素增感薄膜太阳能电池电极研究

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