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大面积染料敏化太阳能电池的研究

作　者: 张璟
导　师: 林红
学　校: 清华大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 染料敏化太阳能电池大面积DSC 模块拟合模型
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cell，简称DSC）的历史可以追溯到二十年前。就发展历史而言，是一种在实验室已经相对成熟的技术。由于其制造成本低廉，工艺简单，效率已稳定突破10%，DSC在新型太阳能电池中的前景被普遍看好。然而，在DSC从实验室走向产业化的过程中出现了许多瓶颈，比如效率下降严重，长期稳定性不佳，成为制约其实用化的重要因素。大面积DSC的制作是DSC产业化的重要环节。DSC模块的设计与制作是大面积DSC制作的核心技术。目前DSC模块内连接的主要方式有并联，W–型串联和Z–型串联。针对串并联两种特性的模块内连接方式，首先利用由水热法制备的TiO₂配置而成的丝网印刷用浆料制备光阳极，在研究了优化的TiO₂光阳极介孔膜厚度，合适的基板和光阳极膜表面处理方式和染料加温浸泡工艺之后，制作了大面积并联模块和W–型串联模块。通过测试具有不同的电极，栅线以及封装尺寸的单电池，可以得到使单电池的效率最大的优化尺寸设计。通过多块模块串并联得到的电池组能够驱动小型器件的工作。理论计算对于DSC模块的设计具有重要的指导意义。首先建立合适的模型，并且通过已知的实验数据拟合出模型中难以通过实验直接得到的参数。在拟合出的结果的基础上，将模型推广到模块的设计中，从而预测不同的模块设计的性能。通过不同设计模块的性能比较，可以得到各种模块的电极最优化设计。可靠的模型可以节约大量的时间和成本，并且指导模块的优化设计。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-7
第1章引言  7-25
  1.1 选题的背景及意义  7-9
  1.2 DSC 以及 DSC 模块简介  9-20
    1.2.1 DSC 的基本结构  9-12
    1.2.2 DSC 的工作原理和表征方法  12-13
    1.2.3 DSC 的性能参数  13-15
    1.2.4 DSC 的光电转换效率测试方法  15-17
    1.2.5 DSC 的阻抗谱分析  17-19
    1.2.6 DSC 模块的内连接方式  19-20
    1.2.7 大面积 DSC 的有效面积比  20
  1.3 大面积 DSC 的研究进展  20-22
    1.3.1 导电基板  20-21
    1.3.2 封装剂  21
    1.3.3 模块内连接方式  21-22
  1.4 DSC 理论模拟的研究进展  22-23
  1.5 DSC 实用化的研究进展  23
  1.6 课题的研究目标和研究内容  23-25
第2章纳米 TiO_2的水热合成以及浆料的制备  25-36
  2.1 引言  25-28
  2.2 原料  28
  2.3 设备  28
  2.4 水热前躯体的制备  28-30
  2.5 水热生长  30-31
  2.6 水热反应温度对于 TiO_2的影响  31-32
  2.7 丝网印刷用 TiO_2浆料的制备  32-35
    2.7.1 丝网印刷制膜  32-34
    2.7.2 丝网印刷用 TiO_2浆料的制备  34-35
  2.8 本章小结  35-36
第3章小面积 DSC 的制作  36-46
  3.1 引言  36
  3.2 原料  36
  3.3 仪器设备  36-37
  3.4 TiO_2光阳极的丝网印刷  37-39
  3.5 对电极的制作  39
  3.6 小面积电池的组装  39
  3.7 TiCl_4处理对于电池性能的影响  39-42
  3.8 膜厚对于 DSC 性能的影响  42-43
  3.9 染料浸泡时间和温度对于 DSC 性能的影响  43-45
  3.10 本章小结  45-46
第4章 DSC 模块的制作  46-60
  4.1 引言  46
  4.2 原料  46
  4.3 仪器设备  46
  4.4 单条 DSC  46-49
    4.4.1 电池设计  47-49
  4.5 并联模块  49-54
    4.5.1 电极的制作  49-51
    4.5.2 封装  51-52
    4.5.3 测试方法与结果  52-54
  4.6 W–型串联模块  54-58
    4.6.1 基板导电层切割  54-55
    4.6.2 电极的制作  55-56
    4.6.3 封装  56-57
    4.6.4 测试结果  57-58
  4.7 模块阵列和驱动器件  58-59
  4.8 本章小结  59-60
第5章 DSC 电池和模块的计算模拟  60-79
  5.1 引言  60
  5.2 DSC 电路模型  60-62
    5.2.1 小面积 DSC 电路模型  60-61
    5.2.2 DSC 模块电路模型  61-62
  5.3 小面积 DSC 模型中参数的拟合  62-65
  5.4 模型中参数对于 I–V 曲线的影响  65-70
    5.4.1 饱和电流 I_0  66-67
    5.4.2 光生电流 I_(ph)  67-69
    5.4.3 串联电阻 R_s  69-70
  5.5 电极面积对于电路中各组件参数的影响  70-72
  5.6 DSC 模块性能的模拟  72-73
  5.7 最优化模块设计的研究  73-78
    5.7.1 并联模块  74-76
    5.7.2 W–型串联模块  76-77
    5.7.3 Z–型串联模块  77-78
  5.8 本章小结  78-79
第6章结论  79-81
参考文献  81-87
致谢  87-88
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  88

大面积染料敏化太阳能电池的研究

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