發(fā)布時間：2019-04-12 19:46

【摘要】：染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)具有安全無毒、成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點,迅速成為太陽能大規(guī)模利用的潛在候選者。光陽極和對電極是染料敏化太陽能電池的兩個重要組成部分,他們的組成和結(jié)構(gòu)直接影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。納米Ti02介孔薄膜是目前DSSCs使用最廣泛的光陽極材料,在DSSCs中作為染料的載體,具有接收光生電子和傳輸電子的作用,是影響電池光電轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵組成部分。由于納米TiO2薄膜仍存在一些不足,例如較高密度的表面態(tài),以及較低的電子遷移率,這無疑加速了電荷的重組,限制了的電荷傳輸。為了推進(jìn)染料敏化太陽能電池的廣泛應(yīng)用,探索更高效的的光陽極,本文在傳統(tǒng)的商業(yè)TiO2 (P25)光陽極基礎(chǔ)上,引入具有較高的電子遷移率的Sn02,制備了SnO2/ TiO2復(fù)合材料光陽極,加快了光陽極上的電子傳輸速率,抑制了光電子的界面復(fù)合,提高了電荷收集效率。同時,對電極作為染料敏化太陽能電池(DSSCs)的另一重要組成部分,具有收集外電路的電子、吸附電解質(zhì)并不斷催化I3-得到電子后還原為r的重要作用。而傳統(tǒng)的對電極材料為金屬鉑,其成本約占電池的70%左右,因此尋找低成本的對電極來替代鉑成為降低電池成本的關(guān)鍵。本文采用碳與導(dǎo)電聚合物的復(fù)合材料代替鉑作為對電極,大大降低了電池的成本。通過測試電池的光電流密度-電壓輸出特性曲線,探尋影響染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素,分析影響機理。主要內(nèi)容如下：(1)分別采用10nm的TiO2、20 nm的Sn02制備成電池,與商業(yè)TiO2 (P25)比較,分析影響電池效率的性能參數(shù)。結(jié)果表明,幾種納米半導(dǎo)體薄膜的比表面積、染料吸附量、開路電壓、短路電流密度等光電性能參數(shù)差異較大,影響了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。雖然Sn02具有較高的電子遷移率而備受關(guān)注,但是純Sn02不是好的光陽極材料。(2)采用Ti02和SnO2混合體系制備TiO2/SnO2復(fù)合光陽極,制備了TiO2/SnO2復(fù)合材料染料敏化太陽能電池。引入熱-氣泡法合成高結(jié)晶性的3.4nm的SnO2,首先將SnO2與TiO2按照不同的質(zhì)量百分比進(jìn)行混合后制備成混合漿料,通過絲網(wǎng)印刷法得到混合薄膜,然后通過將薄膜浸泡在TiCl4水溶液中而在其表面覆蓋一層Ti02,得到TiO2/SnO2復(fù)合材料薄膜。通過比較基于不同質(zhì)量百分比的Sn02的復(fù)合光陽極,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Sn02和Ti02的質(zhì)量百分比為7.5時,復(fù)合電極的比表面積、電導(dǎo)率和電荷收集效率等達(dá)到最大值。討論了TiO2/SnO2復(fù)合材料中光生電子的傳輸及其能帶結(jié)構(gòu),研究復(fù)合材料的光電性質(zhì)以及光生電子傳輸機理。由四探針法電導(dǎo)率測試和EIS測試,證實了TiO2/SnO2復(fù)合材料薄膜的導(dǎo)電性能優(yōu)異。因此TiO2/SnO2復(fù)合材料電池的短路電流密度大幅度提高,其電池的光電轉(zhuǎn)換效率最大達(dá)到了6.6%,比相對純Ti02的DSSCs提高了52%。這種高效的SnO2/TiO2已被證實是染料敏化太陽能電池的一種很有前途的光陽極半導(dǎo)體復(fù)合材料。(3)將PDDA功能化的多壁碳納米管得到的復(fù)合材料PDDA/CNTs用作對電極,來取代傳統(tǒng)的高成本的Pt對電極,可大大降低電池的成本。討論了影響PDDA/CNTs對電極組裝的DSSCs的光電性能的主要因素以及電池的穩(wěn)定性。最優(yōu)化的電池的光電轉(zhuǎn)換效率(η)和單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)分別達(dá)到5.65%和61.6%。相對于純CNTs對電極組裝的電池,其光學(xué)性能明顯提高,主要歸功于CNTs具有較強的電導(dǎo)率以及PDDA/CNTs復(fù)合材料能在氧化還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。PDDA/CNTs復(fù)合材料是DSSCs對電極中Pt的一個出色的潛在替代品。這種低溫合成碳納米管-導(dǎo)電聚合物的方法,為今后的對電極新材料的研究工作提供了一個有價值的參考。(4)尋求簡單而有效的制備對電極漿料的方法以及對電極的鍍膜方法。CNTs和PDDA/CNTs復(fù)合材料對電極的漿料的制備均采用用去離子水作為溶劑,未添加任何粘合劑或者表面活性劑；引入簡單的滴加法和低溫干燥的方法得到薄膜；通過比較旋涂法和滴加法兩種制備對電極薄膜的方法,發(fā)現(xiàn)兩種電池的效率相當(dāng)；對于滴加法也可以用于鉑漿料制備對電極薄膜。這種滴加法以及低溫處理電極薄膜的方法,簡單易操作,薄膜均勻,膜厚易控制,為碳材料及其導(dǎo)電物復(fù)合材料的對電極的制備提供了有效的參考。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4;TB33

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本文編號：2457338