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基于复合光阳极的染料敏化太阳能电池的研究

作　者: 赵旺
导　师: 魏爱香
学　校: 广东工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 染料敏化太阳能电池复合光阳极电化学阻抗谱溶胶-凝胶技术光伏性能
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

以太阳能光伏技术为支撑的太阳能利用正在给人类的能源消费结构带来革命性的变化。目前太阳能电池的主流产品是硅基太阳能电池,但硅基太阳能电池成本偏高,原料供应紧张。染料敏化太阳电池(Dye-Sensitized Solar Cell,简称DSSC)具有廉价的成本、丰富的资源、稳定的性能、生产过程简单、无毒、无污染且适合大规模生产等优势,有可能取代硅基太阳能电池,成为未来太阳能电池的主导。本文重点研究了基于TiO2纳米颗粒/纳米线和ZnO/TiO2两种复合薄膜光阳极的染料敏化太阳能电池的制备技术、光伏性能和电化学性能,其具体研究内容如下：基于TiO2纳米颗粒/纳米线复合光阳极的染料敏化太阳能电池的研究。采用水热合成技术制备TiO2纳米线粉末,然后采用溶胶-凝胶技术制备钛酸丁酯溶胶,向溶胶中加入适量的TiO2纳米线制备凝胶浆体,采用浸渍提拉法在透明导电玻璃上制备TiO2纳米颗粒／纳米线复合薄膜的光阳极。通过XRD、SEM、电池的J-V特性测试,研究TiO2纳米线的添加量对光阳极的结构、形貌和电池光伏性能的影响。结果表明：TiO2纳米颗粒／纳米线复合薄膜中TiO2纳米线分布比较均匀,且形成彼此连接的网络状结构；随着溶胶中TiO2纳米线添加量的增加,电池的短路电流密度Jsc从1.84mA/cm2增加到13.50mA/cm2,能量转换效率从未添加TiO2纳米线的0.85%提高到6.61%,开路电压和填充因子基本保持不变。基于ZnO/TiO2复合光阳极的染料敏化太阳能电池的研究。采用低温水溶液法制备ZnO微米棒,然后将ZnO微米棒与TiO2纳米粉以不同的比例混合制备成复合浆料,采用刮涂法涂敷在透明导电玻璃上制备ZnO/TiO2复合薄膜光阳极。通过XRD、SEM、电池的J-V特性测试,研究ZnO微米棒与Ti02纳米粉的比例对光阳极的形貌和电池光伏性能的影响。结果表明：当ZnO与TiO2的质量比为50：50时DSSC的效率最高,此时的光电转换效率比纯TiO2电池的效率提高了31%,这主要是由于ZnO微米棒更高的光利用率和良好的电子转移特性。染料敏化太阳能电池的电化学阻抗谱分析。本文应用电化学阻抗谱技术对染料敏化太阳能电池中电子转移过程的阻抗特性进行了研究。根据不同正负偏压条件下测试得到的染料敏化太阳能电池的的阻抗图,结合DSSC的工作原理,建立了DSSC在不同偏压条件下的等效电路模型。并用该模型对不同偏压下实测阻抗谱进行拟合,拟合结果与实测阻抗谱吻合的比较好,且获得等效电路模型中各元件参数的数值比较合理,表明所建立的等效电路模型是合理的。对所测阻抗谱进行了分析,研究了不同偏压下阻抗谱的变化,并分析电池内部阻抗分布。结果表明：电子在光阳极中传输阻抗以及光阳极／染料／电解液界面的电荷转移阻抗是影响DSSC内部总阻抗的主要因素。TiO2纳米颗粒／纳米线复合光阳极DSSC中随着纳米线添加量的增加,电子的传输阻抗以及TiO2/染料／电解液界面的电荷转移阻抗显著减少。ZnO/TiO2复合光阳极DSSC中,中频区反映电子在光阳极中的传输的特征频率随ZnO的增加而减小

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
CONTENTS  11-14
第一章绪论  14-28
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理  15-19
    1.2.1 DSSC结构  16-17
    1.2.2 DSSC工作原理  17-19
  1.3 染料敏化太阳能电池的研究进展  19-25
    1.3.1 DSSC导电基底  20
    1.3.2 DSSC光阳极  20-23
    1.3.3 染料敏化剂  23
    1.3.4 电解质  23-24
    1.3.5 对电极  24-25
  1.4 染料敏化太阳能电池的市场前景  25-26
  1.5 本论文研究内容、意义及创新性  26-28
    1.5.1 研究意义  26-27
    1.5.2 研究内容  27
    1.5.3 创新性  27-28
第二章 TiO_2纳米颗粒/纳米线复合薄膜染料敏化太阳能电池  28-44
  2.1 TiO_2纳米材料  28-30
    2.1.1 TiO_2纳米材料的性质  28-29
    2.1.2 TiO_2纳米材料薄膜  29-30
  2.2 实验仪器及材料  30-32
    2.2.1 实验仪器  30-31
    2.1.2 实验材料  31-32
  2.3 水热法制备TiO_2纳米线  32-36
    2.3.1 TiO_2纳米线的制备与表征  33-35
    2.3.2 TiO_2纳米线形成机理  35-36
  2.4 Sol-Gel法制备DSSC光阳极  36-41
    2.4.1 Sol-Gel法及特点  36-38
    2.4.2 Sol-Gel法制备TiO_2复合薄膜  38-39
    2.4.3 TiO_2复合薄膜的表征  39-41
  2.5 TiO_2纳米颗粒/纳米线复合光阳极DSSC的组装与测试  41-42
    2.5.1 DSSC的组装  41
    2.5.2 DSSC的性能测试  41-42
  2.6 本章小结  42-44
第三章 ZnO/TiO_2复合薄膜染料敏化太阳能电池  44-58
  3.1 ZnO半导体材料  44-47
    3.1.1 ZnO半导体材料的物理特性  44-45
    3.1.2 ZnO在DSSC中应用  45-47
  3.2 ZnO/TiO_2复合光阳极  47-53
    3.2.1 ZnO/TiO_2复合光阳极的DSSC的工作原理  47
    3.2.2 ZnO微米棒的制备及表征  47-48
    3.2.3 ZnO/TiO_2复合光阳极的制备及表征  48-50
    3.2.4 N719染料及光阳极的吸收光谱  50-53
  3.3 ZnO/TiO_2复合光阳极DSSC的性能测试  53-57
    3.3.1 DSSC的量子效率测试  53-56
    3.3.2 DSSC的J-V特性测试  56-57
  3.4 本章小结  57-58
第四章 DSSC的内部阻抗特性分析  58-70
  4.1 电化学阻抗谱  58-61
    4.1.1 电化学阻抗谱简述  58-59
    4.1.2 电化学阻抗谱的特点  59
    4.1.3 电化学阻抗谱的前提条件  59-60
    4.1.4 阻抗分析在DSSC中应用  60-61
  4.2 DSSC的等效电路模型  61-64
  4.3 DSSC等效电路的拟合  64-67
    4.3.1 等效电路拟合的目的和途径  64-65
    4.3.2 等效电路的拟合  65-67
  4.4 DSSC的电化学阻抗分析  67-69
  4.5 本章小结  69-70
总结  70-72
  全文总结  70-71
  展望  71-72
参考文献  72-79
攻读硕士学位期间发表的论文  79-81
致谢  81

基于复合光阳极的染料敏化太阳能电池的研究

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