染料敏化太阳能电池电极改性研究

发布时间：2020-07-14 19:07

【摘要】： 染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，简称DSSC）由瑞士洛桑高等理工学院Gretzel教授于1991年率先制备，立即受到国际上广泛的关注和重视。之后各国科研人员对其进行大量的研究并取得了一定的进展，但仍存在许多尚需解决的问题，如其核心部件TiO_2纳米晶膜的光电转换性能有待提高、染料急需低成本化、开发高效电解质与固态电解质、如何实现电池大面积化以及电池结构的优化等。本文采用改进的溶胶-凝胶制备工艺以及利用聚苯乙烯作为造孔剂制备Gd、N共掺杂多孔TiO_2纳米薄膜，分析了薄膜中孔隙、粒径大小等对薄膜性能的影响；根据第一原理研究轨道有序态及其对光电性能的影响，定性和定量分析TiO_2的能带变化与掺杂Gd/N等物质的关系。研究结果表明：溶胶-凝胶法所得薄膜在500℃温度下煅烧得到的TiO_2为锐钛矿晶型，颗粒的大小约为20nm。膜的表面出现较多的孔隙，没有团聚和裂痕。以此薄膜组装了DSSC，通过对其电池的I-V测试，TiO_2薄膜厚度约10μm时，其光电池的性能最好，其开路电压为0.382v，短路电流为0.332mA。TiO_2结构的多孔隙性保证了较多染料的吸附，进而增强了捕获太阳光的能力，薄膜的合适的厚度有利于使染料分子及电解质充分地吸附到纳米TiO_2中，有利于载流子的传输和转移，抑制复合与暗电流。以聚苯乙烯（PS）微球为造孔剂，结合溶胶-凝胶法制备了具有良好光电性能的锐钛矿多孔TiO_2薄膜电极。其中PS微球乳液为7%时，TiO_2薄膜电极表面分布着较多孔径均匀的圆形小孔，其光电转换效率效果最优，短路电流Isc为0.4979mA／cm~2，开路电压Voc为0.6696V，填充因子FF为38.15％，比没有造孔剂时效果有大幅提高。而通过Gd、N共掺杂制备的多孔电极最好的效果，在掺杂Gd为0.5%，掺杂N为0.3%。时候，效果达到最好，其开路电压为0.649v。短路电流为0.713mA／cm~2，相对没有掺杂的多孔膜电极其效率提高51.47%。采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了锐钛矿相及Gd、N共掺杂TiO_2的基态几何、电子结构，计算得到TiO_2的晶格常数与实验结果的偏差很小；掺杂能级的形成主要是掺杂Gd、N的4f轨道的贡献。掺杂Gd\N后，不仅使TiO_2的吸收带产生红移，且增强了TiO_2在紫外区的光吸收，因此Gd\N型的共掺杂能使TiO_2的禁带变窄，光电性能得到提高。
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK514
【图文】：

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光伏市场份额分布图

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5图 1.2 染料敏化电池的结构示意图DSSC电池的起源于法国科学家Henri Becquerel在1839年首次在实验室观察的光电转化现象。最初的发展阶段，实验所使用的材料一般是只在可见光的段区域里，对可见光只能吸收一小部分的窄带隙材料，所以这种DSSC电池为半导体太阳能电池。从此，染料敏化太阳能电池(即Gr tzel电池)随之诞生[.3.1 结构组成染料敏化太阳能电池主要分为三部分：工作电极、电解质和对电极。在基底（导电玻璃）上制备一层多孔半导体膜，然后再将染料分子吸附在多孔,这样就构成工作电极。电解质现在有液态的，也有固态的，还有准固态的电极一般是镀有铂的导电玻璃。下面对染料敏化薄膜电池的各个组成部分以关它们的研究进展做简单的介绍[16]。

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被分成 ITO(氧化锡中掺了 In203)和 FTO(氧化锡中掺了氟)。对导电玻璃要求是既要纯净，还要电阻小、透光性强，而对电阻的要求是方块电阻约为 5-20Q"F（F表示每方），其透光率则需在 85％以上[17]。除了运用导电玻璃作为基底外，还可以运用柔性有机材料作为基底，比如塑料材料来制备基底。这样制备的电池具有缩放自如的作用，易于运输、可以自由的移动等特点，拓展了染料敏化电池的应用领域。1.3.1.2 纳米晶半导体电极纳米晶半导体电极是DSSC电池的整个核心部分，FeS2、TiO2、SnO2、Nb2O5、ZnO等半导体材料均可被用来制作光阳极薄膜。这些半导体材料中以Ti02的最合适，由于其有稳定、廉价、抗腐蚀、无毒、转换效率高、易得等显著的特点，而与其他的半导体材料相比，更重要的是纳米TiO2薄膜拥有巨大的内比表面积(80-200m2／g)，其材料的总表面积为物理几何表面积的1000倍，而粒径的大小可以控制集中在15-20nm之间，TiO2薄膜的厚度一般都在在5-20 μ m之间的时候对染料的吸附能力最强，光电转换效率达到较高的水平，如下图1．3所示。

【引证文献】