【摘要】： 染料敏化太陽能電池（Dye Sensitized Solar Cell，簡稱DSSC）由瑞士洛桑高等理工學(xué)院Gretzel教授于1991年率先制備，立即受到國際上廣泛的關(guān)注和重視。之后各國科研人員對其進(jìn)行大量的研究并取得了一定的進(jìn)展，但仍存在許多尚需解決的問題，如其核心部件TiO_2納米晶膜的光電轉(zhuǎn)換性能有待提高、染料急需低成本化、開發(fā)高效電解質(zhì)與固態(tài)電解質(zhì)、如何實(shí)現(xiàn)電池大面積化以及電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。 本文采用改進(jìn)的溶膠-凝膠制備工藝以及利用聚苯乙烯作為造孔劑制備Gd、N共摻雜多孔TiO_2納米薄膜，分析了薄膜中孔隙、粒徑大小等對薄膜性能的影響；根據(jù)第一原理研究軌道有序態(tài)及其對光電性能的影響，定性和定量分析TiO_2的能帶變化與摻雜Gd/N等物質(zhì)的關(guān)系。研究結(jié)果表明： 溶膠-凝膠法所得薄膜在500℃溫度下煅燒得到的TiO_2為銳鈦礦晶型，顆粒的大小約為20nm。膜的表面出現(xiàn)較多的孔隙，沒有團(tuán)聚和裂痕。以此薄膜組裝了DSSC，通過對其電池的I-V測試，TiO_2薄膜厚度約10μm時，其光電池的性能最好，其開路電壓為0.382v，短路電流為0.332mA。TiO_2結(jié)構(gòu)的多孔隙性保證了較多染料的吸附，進(jìn)而增強(qiáng)了捕獲太陽光的能力，薄膜的合適的厚度有利于使染料分子及電解質(zhì)充分地吸附到納米TiO_2中，有利于載流子的傳輸和轉(zhuǎn)移，抑制復(fù)合與暗電流。 以聚苯乙烯（PS）微球?yàn)樵炜讋�，結(jié)合溶膠-凝膠法制備了具有良好光電性能的銳鈦礦多孔TiO_2薄膜電極。其中PS微球乳液為7%時，TiO_2薄膜電極表面分布著較多孔徑均勻的圓形小孔，其光電轉(zhuǎn)換效率效果最優(yōu)，短路電流Isc為0.4979mA／cm~2，開路電壓Voc為0.6696V，填充因子FF為38.15％，比沒有造孔劑時效果有大幅提高。而通過Gd、N共摻雜制備的多孔電極最好的效果，在摻雜Gd為0.5%，摻雜N為0.3%。時候，效果達(dá)到最好，其開路電壓為0.649v。短路電流為0.713mA／cm~2， 相對沒有摻雜的多孔膜電極其效率提高51.47%。采用密度泛函理論的平面波超軟贗勢方法研究了銳鈦礦相及Gd、N共摻雜TiO_2的基態(tài)幾何、電子結(jié)構(gòu)，計算得到TiO_2的晶格常數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差很小；摻雜能級的形成主要是摻雜Gd、N的4f軌道的貢獻(xiàn)。摻雜Gd\N后，不僅使TiO_2的吸收帶產(chǎn)生紅移，且增強(qiáng)了TiO_2在紫外區(qū)的光吸收，因此Gd\N型的共摻雜能使TiO_2的禁帶變窄，光電性能得到提高。
【學(xué)位授予單位】：長沙理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TK514
【圖文】：

光伏市場份額分布圖

5圖 1.2 染料敏化電池的結(jié)構(gòu)示意圖DSSC電池的起源于法國科學(xué)家Henri Becquerel在1839年首次在實(shí)驗(yàn)室觀察的光電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。最初的發(fā)展階段，實(shí)驗(yàn)所使用的材料一般是只在可見光的段區(qū)域里，對可見光只能吸收一小部分的窄帶隙材料，所以這種DSSC電池為半導(dǎo)體太陽能電池。從此，染料敏化太陽能電池(即Gr tzel電池)隨之誕生[.3.1 結(jié)構(gòu)組成染料敏化太陽能電池主要分為三部分：工作電極、電解質(zhì)和對電極。在基底（導(dǎo)電玻璃）上制備一層多孔半導(dǎo)體膜，然后再將染料分子吸附在多孔,這樣就構(gòu)成工作電極。電解質(zhì)現(xiàn)在有液態(tài)的，也有固態(tài)的，還有準(zhǔn)固態(tài)的電極一般是鍍有鉑的導(dǎo)電玻璃。下面對染料敏化薄膜電池的各個組成部分以關(guān)它們的研究進(jìn)展做簡單的介紹[16]。

被分成 ITO(氧化錫中摻了 In203)和 FTO(氧化錫中摻了氟)。對導(dǎo)電玻璃要求是既要純凈，還要電阻小、透光性強(qiáng)，而對電阻的要求是方塊電阻約為 5-20Q"F（F表示每方），其透光率則需在 85％以上[17]。除了運(yùn)用導(dǎo)電玻璃作為基底外，還可以運(yùn)用柔性有機(jī)材料作為基底，比如塑料材料來制備基底。這樣制備的電池具有縮放自如的作用，易于運(yùn)輸、可以自由的移動等特點(diǎn)，拓展了染料敏化電池的應(yīng)用領(lǐng)域。1.3.1.2 納米晶半導(dǎo)體電極納米晶半導(dǎo)體電極是DSSC電池的整個核心部分，F(xiàn)eS2、TiO2、SnO2、Nb2O5、ZnO等半導(dǎo)體材料均可被用來制作光陽極薄膜。這些半導(dǎo)體材料中以Ti02的最合適，由于其有穩(wěn)定、廉價、抗腐蝕、無毒、轉(zhuǎn)換效率高、易得等顯著的特點(diǎn)，而與其他的半導(dǎo)體材料相比，更重要的是納米TiO2薄膜擁有巨大的內(nèi)比表面積(80-200m2／g)，其材料的總表面積為物理幾何表面積的1000倍，而粒徑的大小可以控制集中在15-20nm之間，TiO2薄膜的厚度一般都在在5-20 μ m之間的時候?qū)θ玖系奈侥芰ψ顝?qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到較高的水平，如下圖1．3所示。

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 劉小云;低溫制備的新型碳基對電極的DSCs光電性能研究[D];南昌大學(xué);2012年

本文編號：2755364