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基于异质结和导电聚合物对电极的染料敏化太阳能电池研究

作　者: 岳根田
导　师: 吴季怀
学　校: 华侨大学
专　业: 材料学
关键词: 异质结 杂化 导电聚合物 对电极 染料敏化太阳能电池
分类号: TM914.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


染料敏化太阳能电池（DSSC）由于具有制备过程简单、成本低、环境友好和光电转换效率高等优点，成为当前新型太阳能电池领域的研究热点。根据该领域研究中存在的关键科学技术问题，本文开展了基于异质结和导电聚合物对电极的染料敏化太阳能电池研究，以达到提高电池效率和降低成本的效果。主要研究内容和结果如下：第一章：较为全面地综述了太阳能电池的国内外研究进展，重点介绍了DSSC的发展、研究现状、基本原理、表征手段和DSSC目前存在的问题，阐述了本论文的研究目的和科学意义。第二章：基于掺氟导电玻璃（FTO）制备非典聚3-己基噻吩/6,6-苯基-C61丁酸甲酯（P3HT/PCBM）异质结杂化太阳能电池（HSC）。紫外-可见光谱表明作为电子给体和受体材料的P3HT和PCBM具有良好的光敏化功能；直接以P3HT/PCBM溶液代替染料和I–/I3–氧化还原电解质作为空穴传输介质，制备出高效率的HSC。在P3HT/PCBM质量比为1:2的优化条件下，获得2.97%的光电转换效率。第三章：以高导电性的聚3,4-乙基二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）作为电子-空穴传输介质，制备FTO/PEDOT:PSS/TiO2/PCBM:P3HT/Pt异质结固态杂化太阳能电池。在真空环境下120℃热处理PEDOT:PSS膜及电池器件，在标准太阳光照射下获得1.90%的最佳光电性能。第四章：利用P3HT或聚3-辛基噻吩（P3OT）作为空穴传输介质，TiO2作为紫外光吸收剂和电子导体，首次设计和制备紫外光响应的异质结杂化太阳能电池FTO/TiO2/P3HT/Pt和FTO/TiO2/P3OT/Pt。紫外-可见吸收光谱和单色光转换光谱表明TiO2膜、P3HT/TiO2膜和P3OT/TiO2膜在300-400nm都显示了较强的紫外光响应。在100mW·cm-2紫外光照射下，其光电转换效率分别达到1.28%和1.16%。该电池在暗条件下和紫外光辐照下均具有良好的稳定性，并通过添加无机盐在导电聚合物中优化电池的效能。第五章：热裂解法制备Pt/C60对电极，化学池沉积制备TiO2-聚（二烯丙基二甲基氯化铵）-碲化镉（TiO2-PDDA-（CdTe）n）光阳极，并组装CdTe量子点敏化的异质结杂化太阳能电池。对比基于I–/I3–、S2–/Sx和PCBM/P3HT的不同传输电解质制备的器件性能，发现以空穴传输材料和协助敏化剂的PCBM/P3HT制备的电池效率最高。在100mW·cm–2标准太阳光照射下，获得3.40%的光电转换效率。第六章：利用具有高电导率的导电聚合物PEDOT:PSS，制备PEDOT:PSS/C对电极导电浆料，刮涂法制备PEDOT:PSS/C对电极，80℃真空热处理组装的DSSC在100mW·cm-2模拟太阳光辐照下获得7.61%的光电转换效率。扫描电镜表明PEDOT:PSS/C对电极具有大的比表面积；循环伏安测试、电阻率和电导率的实验证明，PEDOT:PSS/C对电极具有很小的电荷传输电阻和优良的电导率，在电解质I–/I3–体系中具有良好的电化学催化性能。第七章：循环伏安法制备具有低电化学阻抗和高电导率的导电聚合物PEDOT:PSS/聚吡咯（PPy）复合膜，并作为对电极将其应用于DSSC，在标准太阳光照射下，获得7.60%的光电转换效率。PEDOT:PSS/PPy对电极的电子扫描显微镜测试表明其具有高的电化学活性表面积和较大的粗糙面；各种电化学表征表明PEDOT:PSS/PPy对电极具有良好的电催化活性。第八章：采用水热法合成硫化钨（WS2）并成功修饰在多壁碳纳米管（MWCNT），混浆法在导电玻璃基底制备MWCNT-WS2对电极，并首次应用于DSSC。循环伏安和电化学阻抗等广泛的电化学表征表明MWCNT-WS2对电极具有良好的电催化活性和更小的电化学阻抗；研究了MWCNT对对电极电催化活性和DSSC光电性能的影响，发现当MWCNT含量为5wt.%时电催化性能最好。在100mW·cm–2标准太阳光照射下，基于MWCNT-WS2对电极组装的DSSC光电转换效率达到6.41%，开路电压、短路电流和填充因子分别为0.73V、13.51mA·cm-2和0.65。第九章：总结本论文的主要研究内容和创新点，并对今后的工作作出展望。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-14
主要符号对照表  14-15
第一章 绪论  15-41
  1.1 引言  15-16
  1.2 染料敏化太阳能电池(DSSC)  16-17
  1.3 DSSC 工作原理  17-18
  1.4 DSSC 的研究现状  18-25
    1.4.1 纳晶多孔半导体膜  18-20
    1.4.2 固体电解质  20-21
    1.4.3 染料敏化剂  21-23
    1.4.4 对电极  23-25
  1.5 DSSC 的制备  25-28
    1.5.1 FTO 导电玻璃  25-26
    1.5.2 纳晶多孔 TiO_2多层膜的制备  26-27
    1.5.3 染料  27
    1.5.4 白金对电极的制备  27
    1.5.5 液体电解质  27
    1.5.6 DSSC 的组装  27-28
  1.6 DSSC 的理论特征  28-31
    1.6.1 开路电压和短路电流  28-29
    1.6.2 光电转换效率  29-30
    1.6.3 J-V 光电性能测量  30-31
  1.7 表征方法  31
  1.8 DSSC 性能的影响因素  31-32
  1.9 研究内容及科学意义  32-33
  1.10 参考文献  33-41
第二章 基于 PCBM/P3HT 的异质结杂化太阳能电池  41-51
  2.1 引言  41
  2.2 实验部分  41-42
    2.2.1 实验药品和仪器  41
    2.2.2 杂化电池的制备  41-42
  2.3 结果与讨论  42-48
    2.3.1 光谱分析  42-44
    2.3.2 IPCE 光谱分析  44-45
    2.3.3 制备条件对电池光电性能的影响  45-48
  2.4 结论  48-49
  2.5 参考文献  49-51
第三章 基于 PEDOT: PSS 的异质结固态太阳能电池  51-61
  3.1 引言  51-52
  3.2 实验部分  52-53
    3.2.1 药品及仪器  52
    3.2.2 电池的制备  52-53
  3.3 结果与讨论  53-58
    3.3.1 红外光谱  53-55
    3.3.2 SEM 图谱  55
    3.3.3 热处理对 PEDOT:PSS 膜的电导率影响  55-56
    3.3.4 紫外-可见吸收光谱的测定和分析  56-57
    3.3.5 热处理条件对电池光电性能的影响  57-58
  3.4 结论  58-59
  3.5 参考文献  59-61
第四章 紫外光响应的异质结杂化太阳能电池研究  61-73
  4.1 引言  61-62
  4.2 实验部分  62-63
    4.2.1 药品及仪器  62
    4.2.2 电池的制备  62-63
  4.3 结果与讨论  63-71
    4.3.1 TiO_2薄膜晶相和形貌分析  63-64
    4.3.2 紫外-可见光谱分析  64-65
    4.3.3 红外光谱  65-66
    4.3.4 HSC 的光电性能  66-68
    4.3.5 离子盐对异质结杂化太阳能电池的光电性能的影响  68-71
  4.4 结论  71-72
  4.5 参考文献  72-73
第五章 CdTe 量子点敏化的异质结太阳能电池研究  73-83
  5.1 引言  73
  5.2 实验部分  73-75
    5.2.1 实验药品和仪器  73-74
    5.2.2 QDHSC 的制备  74-75
  5.3 结果与讨论  75-80
    5.3.1 表面形貌  75-76
    5.3.2 对电极的电化学性能  76-77
    5.3.3 荧光光谱和紫外光谱分析  77
    5.3.4 QDHSC 的光伏性能  77-80
  5.4 结论  80-81
  5.5 参考文献  81-83
第六章 基于 PEDOT:PSS 对电极的染料敏化太阳能电池研究  83-95
  6.1 引言  83
  6.2 实验部分  83-85
    6.2.1 实验原料与仪器  83-84
    6.2.2 PEDOT:PSS/C 对电极的制备  84
    6.2.3 DSSC 的制备  84-85
  6.3 结果与讨论  85-91
    6.3.1 PEDOT:PSS/C 对电极的表面形态  85
    6.3.2 循环伏安测试  85-87
    6.3.3 温度对电阻率的影响  87-89
    6.3.4 IPCE 分析  89
    6.3.5 DSSC 性能  89-91
  6.4 结论  91-92
  6.5 参考文献  92-95
第七章 基于 PEDOT:PSS/PPy 对电极的染料敏化太阳能电池研究  95-109
  7.1 引言  95
  7.2 实验部分  95-97
    7.2.1 药品及仪器  95-96
    7.2.2 电池的制备  96-97
  7.3 结果与讨论  97-105
    7.3.1 PEDOT:PSS/PPy 对电极的 SEM  97
    7.3.2 红外光谱分析  97-99
    7.3.3 电化学阻抗分析  99-100
    7.3.4 循环伏安分析  100-102
    7.3.5 温度对 PEDOT:PSS/PPy 电极电导率的影响  102-104
    7.3.6 电池的光电性能  104-105
  7.4 结论  105-106
  7.5 参考文献  106-109
第八章 基于硫化钨修饰的多壁碳纳米管对电极的染料敏化电池研究  109-121
  8.1 引言  109
  8.2 实验部分  109-111
    8.2.1 实验药品和仪器  109-110
    8.2.2 DSSC 制备  110-111
  8.3 结果与讨论  111-118
    8.3.1 表面形貌和成分  111-113
    8.3.2 电化学性质  113-114
    8.3.3 电化学阻抗分析  114-117
    8.3.4 DSSCs 光电性能  117-118
  8.4 结论  118-119
  8.5 参考文献  119-121
第九章 总结  121-125
致谢  125-127
个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果  127-133

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 光电池 > 太阳能电池
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