基于硅藻和紫细菌光合元件的DSSC性能研究

发布时间：2017-06-08 16:04

  本文关键词：基于硅藻和紫细菌光合元件的DSSC性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells,DSSC)因制作工艺简单、价格低廉、良好的建筑和环境相容性等优点而备受关注。在DSSC中,光阳极的染料和纳米半导体分别负责光能的捕获和电荷的分离,是DSSC的核心组件。天然染料因来源广泛、价格低廉、环境友好等优点,在DSSC研究中具有巨大潜力。同时以TiO2为纳米半导体的薄膜设计,在光能的利用中存在着缺陷,改善纳米半导体的结构和组成是提高DSSC光电性能的重要手段。主要在可见光区有吸收的硅藻色素或色素蛋白复合体(pigment-protein complexes,PPC)与在近红外区有吸收的紫细菌色素或PPC吸收光谱具有互补性,是来源广泛的天然染料。硅壳纳米多孔级结构具有的光捕获和光散射作用,使其成为性能优良的光电材料。若将两光合生物色素或PPC结合共敏硅壳修饰的薄膜电极,对构建可见-近红外光响应的高效天然DSSC具有重要的意义。本文从硅藻NA56和紫细菌CQV97中共获得了多种光合色素和PPC,并从硅藻中提取了硅壳,制备了硅壳-TiO2材料,以光电性能参数为指标,筛选获得了光电性能较佳的硅藻和紫细菌色素或PPC,在此基础上通过优化光敏元件浓度、共敏化吸附方式和时间、光阳极结构、硅壳-TiO2材料配比、硅壳-TiO2薄膜厚度,拓宽了色素或PPC在纳米半导体薄膜的光谱响应范围,提高了其光电转化性能,主要研究结果如下:1.色素和PPC敏化TiO2薄膜电极。从硅藻NA56和紫细菌CQV97提取、分离纯化了6种不同光谱特性的光合色素和8种不同光谱特性的PPC。6种色素和8种PPC的DSSC光电测试结果表明:在入射光强100 mW/cm2,混合组分比单一组分光电性能更佳,即NA56色素提取液和CQV97色素提取液分别在NA56色素类和CQV97色素类光电性能最佳,NA56 30%浮质和CQV97 80%浮质分别在NA56 PPC类和CQV97 PPC类光电性能最佳。浓度对光电性能影响表明,NA56色素提取液和30%浮质分别在Chl a含量155和129μg/mL时,η最大,为0.368%和0.392%;CQV97色素提取液和80%浮质分别在BChl a含量144和81μg/mL时,η最大,为0.417%和0.415%。共敏化吸附方式的优化表明,逐步吸附染料比混合吸附染料光电性能更佳,且共敏化显著拓宽了单一染料的光谱响应范围;色素共敏化吸附时间优化,当TiO2薄膜(T)在NA56色素提取液吸附12 h,再置于CQV97色素提取液吸附12 h,获最大光电转化效率0.795%,较单一色素提取液分别提高了114%和90%;PPC共敏化吸附时间优化,当T薄膜在NA56 30%浮质吸附48 h,再置于CQV97 80%浮质吸附24 h,获最大光电转化效率0.544%,较单一PPC分别提高了39%和31%;天然染料CQV97色素提取液与合成染料N719共敏化结果表明,CQV97色素提取液的加入将N719的短路电流密度提高了36.8%,显著改善了N719的光电转换性能。2.硅壳和硅壳-TiO2材料的制备和表征。SEM图像表明,NA56硅壳呈舟形,表面分布有纳米尺寸的孔,孔径在50 nm-200 nm之间;红外光谱和紫外可见吸收光谱表明,硅壳主要含Si-O-Si键,吸收光谱主要在紫外光区,且450℃煅烧不会影响硅壳的基团和结构组成。本实验用水热合成法制备了不同配比硅壳-TiO2材料,SEM图像表明,该方法成功的将硅壳与TiO2结合在一起,结合TiO2的硅壳,表面更加粗糙,具有更大的比表面积,且从XRD图像可以看出,硅壳的加入并没有影响TiO2的晶体构型。3.色素和PPC敏化硅壳-TiO2薄膜电极。双层硅壳-TiO2薄膜(第一层TiO2,第二层硅壳-TiO2),比单层硅壳-TiO2薄膜光电性能更佳;不同配比和厚度的双层硅壳-TiO2薄膜,第二层硅壳与TiO2质量比为12:5,厚度为14μm时光电性能最佳;不同染料敏化双层硅壳-TiO2薄膜(TF3),与敏化双层TiO2(TT)薄膜相比,多种色素和N719的η提高范围在32%-42%之间,PPC的η提高范围在15%-19%之间;其中NA56和CQV97色素提取液共敏TF3薄膜,拓宽了单一色素的光谱吸收范围,最大η达到了1.321%,较两者共敏化的TT薄膜提高了32%,较单一色素提取液敏化的TT薄膜分别提高了154%和92%,且此η高于目前绝大多数天然染料的η;NA56 30%浮质和CQV97 80%浮质共敏化TF3薄膜,最大η达到了0.712%,较两者共敏化的TT薄膜提高了19%,较单一PPC敏化的TT薄膜分别提高了65%和40%,且此η高于目前藻类和紫细菌PPC的η。由此可见,硅藻和紫细菌色素或PPC共敏硅壳修饰的薄膜电极,显著改善了天然染料的DSSC性能。
【关键词】：硅藻 紫细菌 DSSC 色素 色素蛋白复合体 硅壳
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-31
• 1.1 太阳能电池的研究现状11-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池研究概况12-20
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构和工作机理12-13
• 1.2.2 DSSC的相关参数13-14
• 1.2.3 DSSC染料的研究概况14-18
• 1.2.4 DSSC染料研究中面临的难点和解决方法18-19
• 1.2.5 DSSC纳米半导体的研究现状和存在的问题及解决方法19-20
• 1.3 硅藻和紫细菌光合元件的特性和在DSSC中的研究现状20-29
• 1.3.1 硅藻和紫细菌光合色素的特性和 DSSC 中的研究现状20-23
• 1.3.2 硅藻和紫细菌色素蛋白复合体的特性和在DSSC中的研究现状23-26
• 1.3.3 硅壳的特性和在DSSC中的研究现状26-29
• 1.4 光合生物光合元件在DSSC中研究的不足29
• 1.5 本课题的研究内容和创新性29-30
• 1.6 本课题研究目的和意义30-31
• 第2章 硅藻和紫细菌光合色素及色素蛋白复合体的制备31-43
• 2.1 材料和方法31-34
• 2.1.1 材料31-32
• 2.1.2 方法32-34
• 2.2 结果与分析34-40
• 2.2.1 菌体生长曲线和活细胞吸收光谱34-35
• 2.2.2 光合色素的光谱特性35-36
• 2.2.3 硅藻膜蛋白增溶36-37
• 2.2.4 硅藻色素蛋白复合体的制备37-39
• 2.2.5 紫细菌色素蛋白复合体的制备39-40
• 2.3 讨论40-43
• 第3章 色素和色素蛋白复合体敏化TiO_2薄膜电极的光电性能研究43-67
• 3.1 材料和方法44-48
• 3.1.1 材料44-45
• 3.1.2 方法45-48
• 3.2 结果与分析48-64
• 3.2.1 色素的光谱特性48-49
• 3.2.2 色素蛋白复合体的光谱特性49-50
• 3.2.3 光合色素的光电特性和染料敏化剂筛选50-52
• 3.2.4 色素提取液浓度对光电性能的影响52-55
• 3.2.5 色素蛋白复合体的光电特性和染料敏化剂筛选55-57
• 3.2.6 色素蛋白复合体浓度对光电性能的影响57-58
• 3.2.7 天然染料共敏化TiO_2薄膜58-62
• 3.2.8 天然染料与合成染料共敏化TiO_2薄膜62-64
• 3.3 讨论64-67
• 第4章 硅壳和硅壳-TiO_2材料的制备与表征67-79
• 4.1 材料和方法68-71
• 4.1.1 材料68-69
• 4.1.2 方法69-71
• 4.2 结果与分析71-77
• 4.2.1 硅壳的显微分析和结构特性71-72
• 4.2.2 硅壳的紫外可见吸收光谱和红外光谱分析72-74
• 4.2.3 TiO_2和硅壳-TiO_2材料的SEM分析74
• 4.2.4 硅壳-TiO_2材料的紫外可见吸收光谱和红外光谱分析74-75
• 4.2.5 硅壳、TiO_2和硅壳-TiO_2材料的X射线衍射分析75-77
• 4.3 讨论77-79
• 第5章 色素和色素蛋白复合体敏化硅壳-TiO_2薄膜电极的光电性能研究79-95
• 5.1 材料和方法80-83
• 5.1.1 材料80-81
• 5.1.2 方法81-83
• 5.2 结果与分析83-91
• 5.2.1 单层硅壳-TiO_2薄膜的光电性能83-84
• 5.2.2 双层硅壳-TiO_2薄膜的光电性能84-86
• 5.2.3 NA56色素提取液吸附硅壳-TiO_2薄膜的光谱表征86-87
• 5.2.4 薄膜厚度对双层硅壳-TiO_2薄膜的光电性能影响87-89
• 5.2.5 不同染料敏化双层硅壳-TiO_2薄膜的光电性能89-91
• 5.3 讨论91-95
• 第六章 结论与展望95-99
• 6.1 结论95-97
• 6.2 展望97-99
• 参考文献99-111
• 致谢111-113
• 个人简历、在学期间的研究成果和参与的科研项目113

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本文编号：432998