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聚合物光伏器件和染料敏化太阳能电池柔性对电极的制备与研究

作　者: 黄辉
导　师: 赵斌
学　校: 湘潭大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 关聚合物太阳能电池染料敏化太阳能电池柔性对电极炭气凝胶光伏性能
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本论文介绍了本体异质结型聚合物太阳能电池（PSCs）器件和染料敏化太阳能电池（DSSCs）对电极的最新进展。本体异质结型聚合物太阳能电池的给体与受体的界面形态是影响能量转换效率的一个重要因素。因此,本论文研究了光活性层的相态结构与聚合物PSCs器件的光伏性能之间的关系,同时制备了效率相对较高的双给体聚合物太阳能电池器件。对电极是影响染料敏化太阳能电池光电转换效率以及制备成本的关键因素之一,但是昂贵的铂对电极限制了DSSCs的大规模应用,为此,本研究制备出了高效的柔性炭气凝胶对电极以取代铂对电极。其主要研究内容如下:1.制备并优化了以（苯乙撑-三噻吩）共聚物为给体,PCBM为受体的聚合物太阳能电池器件,并研究了给体与受体在不同比例混合时的活性层的微相分离结构;以具有给电子支链的聚合物和吸电子支链的聚合物共同作为电子给体材料,用于制备PSCs器件,以提高激子的寿命和传输长度,从而提高PSCs的光电转换效率。结果表明,以单一聚合物制备的器件的能量转换效率分别为1.75%和1.49%,而以两种聚合物同时作为给体的器件,在没有经过高温退火的条件下,其能量转换效率效率达到了1.97%。2.分别以炭气凝胶、炭黑和活性炭在不锈钢网基底上制备了柔性的染料敏化太阳能电池对电极,通过扫描电镜、比表面积、孔径分布、电化学阻抗和光伏性能测试来研究对电极的光物理与光化学性质。结果表明,具有较高比表面积的中孔炭气凝胶具有远比炭材料如炭黑、石墨等更好的催化还原活性,其催化活性甚至还超过了比表面积是两倍于炭气凝胶的活性炭制备的对电极,这说明炭气凝胶的中孔结构和高孔隙率更有利于I₃^-在电解质和对电极界面处的扩散,从而提高I₃^-在对电极上的还原速度。在相同实验条件下,以铂对电极制备的DSSCs的能量转换效率为9.14%,开路电压为0.74V,而以炭气凝胶对电极制备的DSSCs的能量转换效率为9.43%,开路电压达到了0.84V。这表明炭气凝胶柔性对电极在染料敏化太阳能电池中有着很好的潜在应用前景。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-28
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 染料敏化太阳能电池( DSSCs)的研究进展  10-18
    1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理  10-11
    1.2.2 影响染料敏化太阳能电池能量转换效率的因素  11-13
    1.2.3 对电极材料的研究进展  13-18
      1.2.3.1 铂对电极  14-15
      1.2.3.2 聚合物对电极  15-16
      1.2.3.3 炭对电极  16-18
  1.3 聚合物太阳能电池(PSCs)的研究进展  18-26
    1.3.1 聚合物太阳能电池的器件结构和工作原理  18-20
      1.3.1.1 单层结构  18
      1.3.1.2 电子给体/受体(D/A) 双层结构  18-19
      1.3.1.3 本体异质结结构(Bulk-heterojunction)  19
      1.3.1.4 聚合物太阳能电池的工作原理  19-20
    1.3.2 影响聚合物太阳能电池能量转换效率的因素  20-22
    1.3.3 聚合物太阳能电池常见的材料  22-24
      1.3.3.1 电极材料  22-23
      1.3.3.2 聚合物电子给体材料  23-24
      1.3.3.3 聚合物电子受体材料  24
    1.3.4 提高聚合物太阳能电池性能的工艺  24-26
  1.4 本论文的设计思想与内容  26-28
第2章基于三苯胺侧链的苯乙撑-三噻吩共聚物的PSCs 器件的制备与性能研究  28-40
  2.1 引言  28-29
  2.2 实验部分  29-31
    2.2.1 仪器与试剂  29-30
      2.2.1.1 实验仪器及测试条件  29
      2.2.1.2 主要试剂与材料  29-30
    2.2.2 聚合物太阳能电池器件的制备  30-31
      2.2.2.1 ITO 的刻蚀  30
      2.2.2.2 ITO 的清洗过程  30
      2.2.2.3 ITO 玻璃片表面处理  30-31
      2.2.2.4 PEDOT: PSS 层的旋涂  31
      2.2.2.5 活性层的旋涂  31
      2.2.2.6 金属的阴极蒸镀  31
  2.3 结果与讨论  31-39
    2.3.1 给体与受体不同比例的光伏性能比较  31-33
    2.3.2 给体与受体不同比例活性层表面形貌的分析  33-36
    2.3.3 Polymer: Polymer: PCBM 器件结构的光伏性能研究  36-38
    2.3.4 Polymer: Polymer: PCBM 活性层的表面形貌分析  38-39
  2.4 本章小结  39-40
第3章 DSSCs 柔性炭气凝胶对电极的制备与性能研究  40-57
  3.1 引言  40
  3.2 实验部分  40-43
    3.2.1 仪器与试剂  40-41
      3.2.1.1 实验仪器及测试条  40-41
      3.2.1.2 主要试剂  41
    3.2.2 染料敏化太阳能电池器件的制备  41-43
      3.2.2.1 Ti0_2 光阳极的制备  41-42
      3.2.2.2 基于各种炭材料对电极的制备  42-43
  3.3 数据分析与讨论  43-56
    3.3.1 基于 ITO 的不同炭材料对电极的光伏性能比较  43-46
    3.3.2 基于不同柔性基底的炭气凝胶对电极的光伏性能比较  46-48
    3.3.3 基于不锈钢网为基底的不同炭对电极的光伏性能比较  48-56
      3.3.3.1 三种对电极的 SEM 图  48-50
      3.3.3.2 三种材料的孔径分布测定  50-51
      3.3.3.3 对电极的电化学阻抗分析  51-52
      3.3.3.4 对电极材料的光伏性能研究  52-54
      3.3.3.5 炭气凝胶对电极的活性面积研究  54-55
      3.3.3.6 炭气凝胶对电极的稳定性测试  55-56
  3.4 本章小结  56-57
总结与展望  57-58
参考文献  58-64
致谢  64-65
附录(攻读硕士学位期间发表论文目录)  65

聚合物光伏器件和染料敏化太阳能电池柔性对电极的制备与研究

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