本文關(guān)鍵詞：基于硅藻和紫細菌光合元件的DSSC性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cells,DSSC)因制作工藝簡單、價格低廉、良好的建筑和環(huán)境相容性等優(yōu)點而備受關(guān)注。在DSSC中,光陽極的染料和納米半導(dǎo)體分別負責(zé)光能的捕獲和電荷的分離,是DSSC的核心組件。天然染料因來源廣泛、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點,在DSSC研究中具有巨大潛力。同時以TiO2為納米半導(dǎo)體的薄膜設(shè)計,在光能的利用中存在著缺陷,改善納米半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和組成是提高DSSC光電性能的重要手段。主要在可見光區(qū)有吸收的硅藻色素或色素蛋白復(fù)合體(pigment-protein complexes,PPC)與在近紅外區(qū)有吸收的紫細菌色素或PPC吸收光譜具有互補性,是來源廣泛的天然染料。硅殼納米多孔級結(jié)構(gòu)具有的光捕獲和光散射作用,使其成為性能優(yōu)良的光電材料。若將兩光合生物色素或PPC結(jié)合共敏硅殼修飾的薄膜電極,對構(gòu)建可見-近紅外光響應(yīng)的高效天然DSSC具有重要的意義。本文從硅藻NA56和紫細菌CQV97中共獲得了多種光合色素和PPC,并從硅藻中提取了硅殼,制備了硅殼-TiO2材料,以光電性能參數(shù)為指標(biāo),篩選獲得了光電性能較佳的硅藻和紫細菌色素或PPC,在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化光敏元件濃度、共敏化吸附方式和時間、光陽極結(jié)構(gòu)、硅殼-TiO2材料配比、硅殼-TiO2薄膜厚度,拓寬了色素或PPC在納米半導(dǎo)體薄膜的光譜響應(yīng)范圍,提高了其光電轉(zhuǎn)化性能,主要研究結(jié)果如下:1.色素和PPC敏化TiO2薄膜電極。從硅藻NA56和紫細菌CQV97提取、分離純化了6種不同光譜特性的光合色素和8種不同光譜特性的PPC。6種色素和8種PPC的DSSC光電測試結(jié)果表明:在入射光強100 mW/cm2,混合組分比單一組分光電性能更佳,即NA56色素提取液和CQV97色素提取液分別在NA56色素類和CQV97色素類光電性能最佳,NA56 30%浮質(zhì)和CQV97 80%浮質(zhì)分別在NA56 PPC類和CQV97 PPC類光電性能最佳。濃度對光電性能影響表明,NA56色素提取液和30%浮質(zhì)分別在Chl a含量155和129μg/mL時,η最大,為0.368%和0.392%;CQV97色素提取液和80%浮質(zhì)分別在BChl a含量144和81μg/mL時,η最大,為0.417%和0.415%。共敏化吸附方式的優(yōu)化表明,逐步吸附染料比混合吸附染料光電性能更佳,且共敏化顯著拓寬了單一染料的光譜響應(yīng)范圍;色素共敏化吸附時間優(yōu)化,當(dāng)TiO2薄膜(T)在NA56色素提取液吸附12 h,再置于CQV97色素提取液吸附12 h,獲最大光電轉(zhuǎn)化效率0.795%,較單一色素提取液分別提高了114%和90%;PPC共敏化吸附時間優(yōu)化,當(dāng)T薄膜在NA56 30%浮質(zhì)吸附48 h,再置于CQV97 80%浮質(zhì)吸附24 h,獲最大光電轉(zhuǎn)化效率0.544%,較單一PPC分別提高了39%和31%;天然染料CQV97色素提取液與合成染料N719共敏化結(jié)果表明,CQV97色素提取液的加入將N719的短路電流密度提高了36.8%,顯著改善了N719的光電轉(zhuǎn)換性能。2.硅殼和硅殼-TiO2材料的制備和表征。SEM圖像表明,NA56硅殼呈舟形,表面分布有納米尺寸的孔,孔徑在50 nm-200 nm之間;紅外光譜和紫外可見吸收光譜表明,硅殼主要含Si-O-Si鍵,吸收光譜主要在紫外光區(qū),且450℃煅燒不會影響硅殼的基團和結(jié)構(gòu)組成。本實驗用水熱合成法制備了不同配比硅殼-TiO2材料,SEM圖像表明,該方法成功的將硅殼與TiO2結(jié)合在一起,結(jié)合TiO2的硅殼,表面更加粗糙,具有更大的比表面積,且從XRD圖像可以看出,硅殼的加入并沒有影響TiO2的晶體構(gòu)型。3.色素和PPC敏化硅殼-TiO2薄膜電極。雙層硅殼-TiO2薄膜(第一層TiO2,第二層硅殼-TiO2),比單層硅殼-TiO2薄膜光電性能更佳;不同配比和厚度的雙層硅殼-TiO2薄膜,第二層硅殼與TiO2質(zhì)量比為12:5,厚度為14μm時光電性能最佳;不同染料敏化雙層硅殼-TiO2薄膜(TF3),與敏化雙層TiO2(TT)薄膜相比,多種色素和N719的η提高范圍在32%-42%之間,PPC的η提高范圍在15%-19%之間;其中NA56和CQV97色素提取液共敏TF3薄膜,拓寬了單一色素的光譜吸收范圍,最大η達到了1.321%,較兩者共敏化的TT薄膜提高了32%,較單一色素提取液敏化的TT薄膜分別提高了154%和92%,且此η高于目前絕大多數(shù)天然染料的η;NA56 30%浮質(zhì)和CQV97 80%浮質(zhì)共敏化TF3薄膜,最大η達到了0.712%,較兩者共敏化的TT薄膜提高了19%,較單一PPC敏化的TT薄膜分別提高了65%和40%,且此η高于目前藻類和紫細菌PPC的η。由此可見,硅藻和紫細菌色素或PPC共敏硅殼修飾的薄膜電極,顯著改善了天然染料的DSSC性能。
【關(guān)鍵詞】：硅藻 紫細菌 DSSC 色素 色素蛋白復(fù)合體 硅殼
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.2;TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 緒論11-31
• 1.1 太陽能電池的研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2 染料敏化太陽能電池研究概況12-20
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作機理12-13
• 1.2.2 DSSC的相關(guān)參數(shù)13-14
• 1.2.3 DSSC染料的研究概況14-18
• 1.2.4 DSSC染料研究中面臨的難點和解決方法18-19
• 1.2.5 DSSC納米半導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀和存在的問題及解決方法19-20
• 1.3 硅藻和紫細菌光合元件的特性和在DSSC中的研究現(xiàn)狀20-29
• 1.3.1 硅藻和紫細菌光合色素的特性和 DSSC 中的研究現(xiàn)狀20-23
• 1.3.2 硅藻和紫細菌色素蛋白復(fù)合體的特性和在DSSC中的研究現(xiàn)狀23-26
• 1.3.3 硅殼的特性和在DSSC中的研究現(xiàn)狀26-29
• 1.4 光合生物光合元件在DSSC中研究的不足29
• 1.5 本課題的研究內(nèi)容和創(chuàng)新性29-30
• 1.6 本課題研究目的和意義30-31
• 第2章 硅藻和紫細菌光合色素及色素蛋白復(fù)合體的制備31-43
• 2.1 材料和方法31-34
• 2.1.1 材料31-32
• 2.1.2 方法32-34
• 2.2 結(jié)果與分析34-40
• 2.2.1 菌體生長曲線和活細胞吸收光譜34-35
• 2.2.2 光合色素的光譜特性35-36
• 2.2.3 硅藻膜蛋白增溶36-37
• 2.2.4 硅藻色素蛋白復(fù)合體的制備37-39
• 2.2.5 紫細菌色素蛋白復(fù)合體的制備39-40
• 2.3 討論40-43
• 第3章 色素和色素蛋白復(fù)合體敏化TiO_2薄膜電極的光電性能研究43-67
• 3.1 材料和方法44-48
• 3.1.1 材料44-45
• 3.1.2 方法45-48
• 3.2 結(jié)果與分析48-64
• 3.2.1 色素的光譜特性48-49
• 3.2.2 色素蛋白復(fù)合體的光譜特性49-50
• 3.2.3 光合色素的光電特性和染料敏化劑篩選50-52
• 3.2.4 色素提取液濃度對光電性能的影響52-55
• 3.2.5 色素蛋白復(fù)合體的光電特性和染料敏化劑篩選55-57
• 3.2.6 色素蛋白復(fù)合體濃度對光電性能的影響57-58
• 3.2.7 天然染料共敏化TiO_2薄膜58-62
• 3.2.8 天然染料與合成染料共敏化TiO_2薄膜62-64
• 3.3 討論64-67
• 第4章 硅殼和硅殼-TiO_2材料的制備與表征67-79
• 4.1 材料和方法68-71
• 4.1.1 材料68-69
• 4.1.2 方法69-71
• 4.2 結(jié)果與分析71-77
• 4.2.1 硅殼的顯微分析和結(jié)構(gòu)特性71-72
• 4.2.2 硅殼的紫外可見吸收光譜和紅外光譜分析72-74
• 4.2.3 TiO_2和硅殼-TiO_2材料的SEM分析74
• 4.2.4 硅殼-TiO_2材料的紫外可見吸收光譜和紅外光譜分析74-75
• 4.2.5 硅殼、TiO_2和硅殼-TiO_2材料的X射線衍射分析75-77
• 4.3 討論77-79
• 第5章 色素和色素蛋白復(fù)合體敏化硅殼-TiO_2薄膜電極的光電性能研究79-95
• 5.1 材料和方法80-83
• 5.1.1 材料80-81
• 5.1.2 方法81-83
• 5.2 結(jié)果與分析83-91
• 5.2.1 單層硅殼-TiO_2薄膜的光電性能83-84
• 5.2.2 雙層硅殼-TiO_2薄膜的光電性能84-86
• 5.2.3 NA56色素提取液吸附硅殼-TiO_2薄膜的光譜表征86-87
• 5.2.4 薄膜厚度對雙層硅殼-TiO_2薄膜的光電性能影響87-89
• 5.2.5 不同染料敏化雙層硅殼-TiO_2薄膜的光電性能89-91
• 5.3 討論91-95
• 第六章 結(jié)論與展望95-99
• 6.1 結(jié)論95-97
• 6.2 展望97-99
• 參考文獻99-111
• 致謝111-113
• 個人簡歷、在學(xué)期間的研究成果和參與的科研項目113

  本文關(guān)鍵詞：基于硅藻和紫細菌光合元件的DSSC性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：432998