基于增强光吸收的DSSC电极修饰与光电性能研究

发布时间：2017-04-25 16:19

  本文关键词：基于增强光吸收的DSSC电极修饰与光电性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)以其低成本、无毒、寿命长及效率较高而成为新能源领域的研究热点。然而常规DSSC的染料(如N719)只能对紫外及可见光区的光子进行捕获(吸光带边700nm),并且在位于蓝紫高能光区的吸光度也有待进一步提高。在紫外光的作用下,Ti O2粉体会产生大量的激子对,这使得DSSC中发生大量复合反应。而在红外光区(占太阳光能量的43%)的吸收空白也成为了限制DSSC效率进一步提升的重要瓶颈。因此对太阳光中红外光尤其近红外光的利用以及复合反应的抑制成为了进一步提高DSSC光电性能的重要方法。对于上转换材料在DSSC中的作用机理科研工作者们一直存在争议。本论文以简单、易制的2%Er,50%Yb-YF3为例子,通过表面光电压谱、上转换荧光光谱、单色光效率谱等多种方法研究了上转换材料在DSSC光阳极中的作用机理。实验结果表明上转换材料和染料发生了荧光共振能量传递(Fr?ster resonance energy transfer,FRET)并且其传递效率远高于光媒能量传输(Luminescence-media energy transfer,LET,其传递效率受上转换材料低量子产率的限制而不够高效)。除此之外,在实验中还发现了烧结使得上转换材料与Ti O2形成共用晶格,并产生了一种类荧光共振作用,使得上转换材料可以将激发态电子直接注入到Ti O2导带中。通过上转换修饰使得电池最高效率提高到6.76%,比空白DSSC提高了43.5%。而后我们研究了基质和发光离子对FRET作用和电池性能提高的影响,研究发现随着基质的改变,Na YF4为基质时上转换发光强度高于YF3,而当Ho3+为发光离子时其发光单色性更强,从而使得能量传递集中在高效的绿光FRET过程。因此电池性能排序为:DSSC(2%Ho,18%Yb-Na YF4)DSSC(2%Ho,18%Yb-YF3)DSSC(2%Er,18%Yb-Na YF4)DSSC(2%Er,18%Yb-YF3)。选用多金属氧酸盐(POM,同多酸:十钨酸,DA;杂多酸:Si W11Co)修饰Ti O2,组装DSSC,通过表面光电压、紫外可见吸收光谱、Mott-Schottky曲线和开路电压衰减谱等测试,分析了POM在DSSC中的作用机理:POM能够增强DSSC位于可见光区尤其蓝紫高能光区的能量吸收,起到类似共敏化的作用;POM还能够吸收紫外光,从而抑制了复合的发生,使得电池性能有所增强。实验表明十钨酸修饰DSSC使得电池效率从7.59%提高到8.37%。而Si W11Co修饰DSSC使得短路电流密度大幅提高(11.01 m A cm-2→18.05 m A cm-2),电池光电转换效率从5.2%提高到6.0%。将稀土元素引入到导电粉FTO(F掺杂Sn O2)中,制备UC-FTO上转换纳米粉体作为对电极材料组装DSSC。UC-FTO粉体可以替代传统DSSC中成本高昂的Pt对电极,从而明显降低DSSC的成本(其成本约为Pt的1/20)。采用UC-FTO粉体作为DSSC的对电极,使得电池光电转换效率提高到7.30%,相比以Pt为对电极的DSSC(6.69%),电池效率提高了9.12%。这种将上转换性能引入到电池对电极中的策略被证明可行,不但能够提高电池的性能,还能够大幅降低电池的成本。
【关键词】：染料敏化太阳能电池 上转换 多金属氧酸盐 抑制复合 光谱增强
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.54;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-36
• 1.1 太阳能源及其利用14-15
• 1.2 染料敏化太阳能电池的发展15-30
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的器件结构及工作原理15-17
• 1.2.2 光阳极材料的种类及特点17-21
• 1.2.3 染料的发展21-25
• 1.2.4 对电极材料的发展25-28
• 1.2.5 电解液/电解质材料的发展28-30
• 1.3 染料敏化太阳能电池效率的发展30-31
• 1.4 染料敏化太阳能电池目前存在的问题31-32
• 1.5 染料敏化太阳能电池光谱调节32-35
• 1.5.1 上转换在DSSC中的应用33-35
• 1.5.2 多酸化合物在DSSC中的应用35
• 1.6 本文的主要研究内容35-36
• 第2章 实验材料和研究方法36-49
• 2.1 实验仪器及材料36-38
• 2.1.1 实验仪器36-37
• 2.1.2 实验药品37
• 2.1.3 实验材料37-38
• 2.2 实验部分38-43
• 2.2.1 Er, Yb-YF_3 制备38
• 2.2.2 Er/Ho, Yb-Na YF_4 制备38-39
• 2.2.3 十钨酸修饰TiO_2 的制备39-41
• 2.2.4 Si W_(11)Co杂多酸负载TiO_2 的制备41-42
• 2.2.5 上转换FTO纳米粉体的制备42-43
• 2.2.6 DSSC的组装43
• 2.3 主要表征手段和测试方法43-49
• 2.3.1 X射线粉末衍射43-44
• 2.3.2 扫描/透射电子显微镜44
• 2.3.3 紫外可见吸收光谱44
• 2.3.4 X射线光电子能谱44-45
• 2.3.5 表面光电压谱45-46
• 2.3.6 入射单色光子-电子转化效率46-47
• 2.3.7 I-V曲线47
• 2.3.8 电化学阻抗谱47-49
• 第3章 上转换修饰光阳极对DSSC光电性能的影响49-74
• 3.1 引言49
• 3.2 Er, Yb-YF_3 修饰光阳极对DSSC性能的影响49-64
• 3.2.1 Er,Yb-YF_3 晶相与形貌分析49-51
• 3.2.2 Er,Yb-YF_3 的组分分析51-52
• 3.2.3 Er,Yb-YF_3 的上转换性能分析52-54
• 3.2.4 Er,Yb-YF_3 在DSSC中的作用机理分析54-59
• 3.2.5 Er, Yb-YF_3 修饰DSSC性能测试59-64
• 3.3 Er/Ho, Yb-Na YF_4 修饰光阳极对DSSC性能的影响64-72
• 3.3.1 Er/Ho, Yb-Na YF_4 晶相与形貌分析64-65
• 3.3.2 Er/Ho, Yb-Na YF_4 的组分分析65-66
• 3.3.3 Er/Ho, Yb-Na YF_4 的上转换性质研究66-67
• 3.3.4 基质和发光离子种类对FRET作用的影响67-69
• 3.3.5 Er/Ho, Yb-Na YF_4 修饰DSSC性能测试69-72
• 3.4 本章小结72-74
• 第4章 多酸修饰光阳极对DSSC光电性能的影响74-99
• 4.1 引言74
• 4.2 十钨酸改性TiO_2 对DSSC性能的影响74-90
• 4.2.1 十钨酸改性TiO_2 的形貌及组成分析74-75
• 4.2.2 十钨酸改性对TiO_2 光物理性质的影响75-78
• 4.2.3 十钨酸改性对TiO_2 光电性能的影响78-85
• 4.2.4 同多酸用量及离子交换对DSSC性能的影响85-90
• 4.3 杂多酸负载TiO_2 对DSSC性能的影响90-97
• 4.3.1 Si W_(11)Co负载TiO_2 形貌分析90-91
• 4.3.2 Si W_(11)Co负载TiO_2 光学性质和光电性质分析91-92
• 4.3.3 Si W_(11)Co修饰DSSC的性能测试92-97
• 4.4 本章小结97-99
• 第5章 上转换对电极对DSSC光电性能的影响99-112
• 5.1 引言99
• 5.2 上转换FTO纳米粉体的晶相及形貌分析99-100
• 5.3 上转换FTO的组分分析100-101
• 5.4 上转换FTO粉体的上转换性质研究101-104
• 5.5 上转换FTO对电解液再生的催化性能104-106
• 5.6 上转换FTO在DSSC中的作用机理分析106-107
• 5.7 上转换FTO组装电池的光电性能测试107-110
• 5.8 上转换FTO的成本估算110-111
• 5.9 本章小结111-112
• 结论112-114
• 创新点114
• 展望114-115
• 参考文献115-129
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果129-132
• 致谢132-133
• 个人简历133

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