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Er~（+3）掺杂TiO_2电极的染料敏化太阳能电池的性究

作　者: 李飞涛
导　师: 顾玉宗
学　校: 河南大学
专　业: 光学工程
关键词: 染料敏化太阳能电池 TiO2电极 TiO2/ Er2O3电极光电转换效率
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

到2050年,人类对能源的消耗量将是现在一倍多,到本世纪末将达到3倍左右。政治,经济和社会的稳定需要大量的能源供应。然而,全球石油的产量很快就不能满足社会经济发展的需求,这是一个非常可怕的结果,这个问题引起了人们的日益关注。另外,由于化石燃料燃烧后,排放出二氧化碳,引起全球变暖,而全球变暖又破坏环境的。因此,为了减少二氧化碳的排放量,发展无碳能源以满足社会发展的需要,但是如何利用无碳能源将成为本世纪科学发展的主要挑战之一。毫无疑问,太阳能是最理想的无碳能源。太阳平均每年辐射到地球上的太阳能是全球每年平均所消耗能量的一万倍,是地球上可以利用的最大清洁能源。然而为了充分利用辐射到地球上的太阳能,我们需要发展太阳能利用技术,从经济学上来说,太阳能还不能完全取代化石燃料。如何有效的利用丰富的,环保的太阳能并且使其以较低成本地转换为电能是困扰广大科学家的一个难题。在过去的十年里,染料敏化太阳能电池作为低成本的光电转换装置取代常规的无机光电转换装置吸引了越来越多科学家的注意。在敏化太阳能电池中,二氧化钛薄膜的多孔结构明显地增加了吸附在其表面的光敏化剂量,增加了光敏化剂的光捕获能力并且保持了和电解质比较好的接触。染料敏化太阳能电池,光电转换的完成是通过激发态的染料快速的将电子注入到二氧化钛的导带中,然后氧化态的染料分子被电解质还原和并将空穴迅速地传输到其对电极。染料敏化太阳能电池已经取得了10.4%的光电转换效率。然而在很长的时期内,如何使其能够长期的,高效率的,稳定的工作是一个新挑战,这对于染料敏化太阳能电池的应用是非常重要的。我们制备了染料敏化太阳能电池的二氧化钛光电极,并组装了染料敏化电池和对电池的光电转换进行测试等,研究了DSSC半导体电极。在染料敏化太阳能电池的性能测试的过程中,研究了在电池的对电极后加一个反射镜和不加反射镜,电解液的组成对染料敏化太阳电池性能的影响,并研究了在染料敏化太阳能电池的光阳极掺入三氧化饵对提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的影响,并得到了6.05%的光电转换效率。主要做了以下有意义的工作:1.本论文以二氧化钛粉末为原料,加入酒精,分散剂后进行搅拌,把所得的浆料涂敷在导电玻璃上成膜,550℃热处理30min后,在N3染料的乙醇溶液中(5×10-4 mol L-1)浸泡24小时,得到TiO2/染料电极。用夹子把TiO2/染料电极和镀Pt的电极夹紧,在两者之间滴加电解液,即完成染料敏化太阳能制作。在测试的时候,为了充分利用光,在对电极的后面加一个反射镜,有利于光的充分利用,提高电池的光电转换效率。2.用水热法制备了粒径约为20nm的正方形二氧化钛纳米颗粒,加入酒精,分散剂和掺入二氧化饵纳米颗粒进行搅拌,把所得的浆料涂敷在导电玻璃上成膜,550℃热处理30min后,在N719染料的乙醇溶液中(5×10-4 mol L-1)浸泡24小时,得到TiO2/染料电极。用夹子把TiO2/染料电极和镀Pt的电极夹紧,在两者之间滴加电解液,即完成染料敏化太阳能制作。然后又研究了在TiO2电极掺入三氧化饵纳米颗粒,对染料敏化太阳能电池光电转换性能的影响。在AM=1.5的光辐射下,染料敏化太阳能电池的光电转换效率从4.83%提高到6.05%.3.研究了TiO2薄膜不同的退火温度,TiCl4处理与否,不同的电解液配置,没有加镜子和加镜子,掺Er2O3和没有掺Er2O3对电池光电转化性能的影响。结果表明,加入Er2O3的TiO2薄膜在500℃退火30 min后,TiCl4 80℃处理30min,在N719染料的乙醇溶液中(5×10-4 mol L-1)浸泡24h可获得较好的光电性能。当电池的有效面积为0.49cm2 ,氙灯的辐照功率密度为100mW/cm2时,开路电压为0.739 mV,短路电流为23.67 mA/cm2,可获得6.05%的光电转换效率。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-33
  引言  12-13
  1.1 半导体太阳能电池的导电机制和染料敏化太阳能电池的导电机制  13-17
    1.1.1 半导体的基础知识  13-14
    1.1.2 半导体的光伏效应  14-15
    1.1.3 染料敏化太阳能电池的工作原理  15-17
  1.2 染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及分类  17-18
    1.2.1 染料敏化纳米晶太阳能电池的结构  17
    1.2.2 染料敏化太阳能电池的分类  17-18
  1.3 二氧化钛纳米晶染料敏化太阳能电池的工作电极  18-22
    1.3.1 二氧化钛的性质  19-20
    1.3.2 二氧化钛电极  20
    1.3.3 纳米TiO_2 多孔膜的改性  20-22
  1.4 染料敏化剂  22-24
  1.5 氧化还原电解质  24-27
    1.5.1 液态电解质  24-25
    1.5.2 准固态态电解质  25-26
    1.5.3 固态电解质  26-27
  1.6 本论文的研究内容  27-28
  1.7 本论文的研究意义  28-30
  参考文献  30-33
第2章染料敏化太阳能的制备及研究  33-45
  2.1 染料敏化太阳能电池的制备  33-38
    2.1.1 薄膜电极的制备  33-35
    2.1.2 对电极的研究进展  35-37
    2.1.3 染料的配置和多孔电极的敏化  37
    2.1.4 电解液的配置  37
    2.1.5 电池的组装  37-38
  2.2 染料敏化太阳能电池的性能表征  38-42
    2.2.1 染料敏化太阳能电池的多孔电极的表征和分析  38-39
    2.2.2 染料敏化太阳能电池的光电化学测量  39-40
    2.2.3 染料敏化太阳能电池的 I – V 曲线  40-42
  2.3 本章小结  42-43
  参考文献  43-45
第3章提高染料敏化太阳能电池的方法  45-65
  3.1 引言  45-46
  3.2 实验和测试  46-48
    3.2.1 样品的制备  46-48
    3.2.2 样品测试  48
  3.3 结果和讨论  48-60
    3.3.1 结构和形貌  48-60
  3.4 本章小结  60-61
  参考文献  61-65
第4章结束语  65-67
  4.1 主要研究成果和创新  65-66
  4.2 展望  66-67
硕士期间发表的论文  67-68
致谢  68-69

Er~（+3）掺杂TiO_2电极的染料敏化太阳能电池的性究

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