發(fā)布時(shí)間：2020-07-22 17:40

【摘要】：尋找和利用清潔可再生能源是本世紀(jì)人類(lèi)需要解決的重大任務(wù)之一。太陽(yáng)能是極具競(jìng)爭(zhēng)力的清潔可再生能源。以染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)為代表的新型太陽(yáng)能電池為緩解人類(lèi)所面臨的能源問(wèn)題帶來(lái)新的希望與契機(jī)。本文通過(guò)摻雜改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化將納米功能材料引入DSSC光陽(yáng)極中,以增強(qiáng)DSSC的性能。同時(shí)在DSSC的研究基礎(chǔ)上對(duì)PSC進(jìn)行了初步探索。具體內(nèi)容概括如下:1)制備了分層級(jí)TiO2微球(TMS)摻雜的復(fù)合光陽(yáng)極薄膜,并組裝成新型DSSC。研究了不同TMS濃度及其梯度結(jié)構(gòu)對(duì)光陽(yáng)極和電池性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)TMS的摻量為33 wt%時(shí),電池性能達(dá)到最優(yōu)效果。其中最大短路電流密度(Jsc)為14.90 mA·cm2,最大轉(zhuǎn)換效率(PCE)為6.57%。在TMS微球的總體濃度為最佳摻雜的情況下,設(shè)計(jì)了多種不同梯度結(jié)構(gòu)的多層光陽(yáng)極。結(jié)果表明:采用最優(yōu)化濃度梯度上升的多層光陽(yáng)極的DSSC獲得了最大的Jsc和PCE,分別為16.49 mA·cm2和7.01%,比采用均勻多層光陽(yáng)極的DSSC分別提高了 10.7%和6.7%,而比傳統(tǒng)未摻入TMS的DSSC分別提高了 21.8%和21.1%。DSSC性能顯著提高的主要原因是:光陽(yáng)極中,散射微球的最優(yōu)化濃度梯度上升和多層排布結(jié)構(gòu)增加了染料的吸附量,同時(shí)微球散射可將入射光最大限度地局域在光陽(yáng)極膜中,從而顯著提高入射光的利用率以及 DSSC 的 Jsc 和 PCE。2)合成了 AuNPs鑲嵌的類(lèi)三明治雙球殼結(jié)構(gòu)的Si02@Au@Ti02(SAT)微球。將SAT以不同的濃度摻入光陽(yáng)極薄膜中,形成SAT摻雜的復(fù)合結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極。研究表明,SAT復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅顯著提高了入射光的散射和捕獲能力,而且增加了載流子的壽命。當(dāng)SAT微球摻量為2.25 wt%時(shí),DSSC的Jsc和PCE達(dá)到最大值,分別為17.0mA·cm-2和7.14%,與傳統(tǒng)純TiO2光陽(yáng)極的DSSC相比,分別提高了15.7%和21.2%。這一明顯提高可歸因于AuNPs的LSPR增加了光吸收和光生載流子,同時(shí)SAT微球良好的光散射與反射作用提高了入射光捕獲率。這體現(xiàn)了雙球殼微球的散射和AuNPs的LSPR的協(xié)同互補(bǔ)效果。3)在TMS摻雜濃度和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究基礎(chǔ)上,將上述雙球殼結(jié)構(gòu)的SAT微球引入DSSC光陽(yáng)極的梯度結(jié)構(gòu)中。結(jié)果表明SAT微球的上升濃度梯度分布顯著增強(qiáng)了入射光在光陽(yáng)極中的散射和光捕獲能力。采用最優(yōu)化SAT梯度上升結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極的DSSC具有最大Jsc為17.7 mA·cm-2,最大PCE為7.75%,比傳統(tǒng)DSSC分別提高了 23.7%和28.0%。其主要原因包括:SAT微球良好的光散射/反射作用可有效增加入射光光程,以便提高光捕獲能力;AuNPs的LSPR效應(yīng)能夠增強(qiáng)光的吸收,并產(chǎn)生更多的光生載流子;濃度梯度上升的SAT微球分布促使入射光在光陽(yáng)極膜中受到不斷的增強(qiáng)和充分的散射,并將入射光最大限度地局域在光陽(yáng)極內(nèi)部而被染料最大程度地吸收并轉(zhuǎn)換為光生電子。4)基于DSSC的研究思路,在介孔層中引入Au納米棒核-殼結(jié)構(gòu)(AuNRs@Si02),以改善PSC的光吸收特性。初步研究了不同AuNRs@Si02濃度對(duì)碳基無(wú)空穴傳輸層PSC性能的影響。研究結(jié)果表明:PSC的Jsc、開(kāi)路電壓(Voc)和PCE均隨著AuNRs含量的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律性變化。其中包含3.0%AuNRs@SiO2 的 PSC 的 PCE、Jsc 和 Voc 分別達(dá)到了 13.02%、21.05 mA·cm-2 和 970 mV的最大值,比未摻入AuNRs@Si02的傳統(tǒng)PSC分別提高了 26%、14.4%和3%。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【圖文】：

的消耗速率。目前，全世界化石燃料的存儲(chǔ)量預(yù)計(jì)為：石油可維持４０年，天然氣逡逑可維持６０年，煤炭可維持２００年［２］。另外，美國(guó)能源信息局預(yù)測(cè)，世界能源需求將逡逑從目前的１４邋ＴＷ增長(zhǎng)到２０５０年的２５？３０邋ＴＷ［３］，如圖１．１所示。除了能源需求外，逡逑化石燃料的燃燒排放造成了環(huán)境污染和溫室效應(yīng)。為此，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Ｓｍａｌｌｅｙ逡逑提出，能源和環(huán)境問(wèn)題將是下一個(gè)５０年的首要挑戰(zhàn)Ｗ。逡逑Ｉｎ邋２０５０：２５－３０邋ＴＷ逡逑邐邐邐邐邋？節(jié)逡逑ｘ邐Ｔｏｔａｌ逡逑Ｉ邋１５邐邐逡逑５邋—逡逑１９７０邐１９９０邐２０１０邐２０３０逡逑Ｙｅａｒ逡逑圖１．１美國(guó)能源局預(yù)測(cè)世界能源需求［３］逡逑４逡逑

１．２．１太陽(yáng)能及其利用方式逡逑由上述可知，化石燃料導(dǎo)致的一系列的能源危機(jī)、環(huán)境污染、人類(lèi)健康等問(wèn)題逡逑給人類(lèi)敲響了警鐘。而我國(guó)作為能源消耗大國(guó)（圖１．２），更亟需廉價(jià)、豐富、清潔、逡逑可再生的新型能源。在過(guò)去的十年中，由于世界對(duì)能源的需求不斷增加，可再生能逡逑源成為公眾關(guān)注的重心。在這些可再生能源中，太陽(yáng)能價(jià)格低廉、無(wú)污染、取之不逡逑盡，具有廣闊的發(fā)展前景。逡逑５０邐能源消費(fèi)總量（萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤／年）邋邐同比X椝佟福玻埃ュ義

本文編號(hào)：2766131