染料敏化太阳能电池电解质离子传导及界面电荷转移性能的研究

摘要

染料敏化太阳能电池（DSSC）是基于光电化学的新型太阳能电池，具有广阔的研究和应用前景。目前，DSSC较多采用有机液态溶液作为电解质，以获取较高的光电转换效率，但鉴于液态电解质易挥发、易泄漏等问题，DSSC的长期稳定性得不到保证。为了提升DSSC的长期稳定性，聚合物电解质开始被研究应用于DSSC。但与有机液态电解质相比，聚合物电解质的离子传导性能较差，致使DSSC的光电转换效率较低，限制了聚合物电解质在DSSC中的进一步应用。因此，本文围绕电解质的离子传导及界面电荷转移过程，重点研究有机液态电解质、固态聚合物电解质以及凝胶聚合物电解质的离子传导及电荷转移性能，及其对DSSC光电转换性能的影响机制，并以此为基础，开发出兼具较好长期稳定性和光电转换性能的聚合物电解质。研究获得的主要结果和结论如下：
　　（1）制备了含有不同I2浓度、阳离子、溶剂以及添加剂4-TBP的有机液态电解质，通过测试不同组分电解质DSSC的输出电流-电压曲线以及电化学阻抗谱，分析I-/I3-氧化还原电对在界面的电荷转移机理，为后续开发聚合物电解质提供理论依据。实验结果表明，电解质中I2的浓度和阳离子对DSSC的光电性能有重要影响。随着I2浓度的增加，DSSC中的电子复合速率提高，导致DSSC的开路电压减小；阳离子通过与TiO2表面的吸附作用改变DSSC的界面性能，与TiO2表面吸附性最强的Li+获得最低的开路电压，而吸附性最弱的TBA+获得最高的开路电压；相对于乙腈（ACN）和3-甲氧基丙腈（MPN），碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶液（EC/PC）作为电解质溶剂具有较好的光电转换性能；4-TBP在TBA+电解质中对DSSC光电性能的影响不如在Li+电解质中明显。
　　（2）制备了含有不同离子浓度的固态聚合物电解质，对不同离子浓度固态聚合物电解质的化学结构进行表征，测试固态聚合物电解质的离子电导率、离子扩散系数以及其在DSSC中的光电性能，分析固态聚合物电解质的离子传导机制，着重研究电解质中阴离子的传导行为，以提高固态聚合物电解质在DSSC中的应用性能。实验结果表明，离子浓度过低，固态聚合物电解质为晶态，不利于离子传导；离子浓度过高，聚合物分子链产生交联，也会降低离子的传导速率。阴离子不与聚合物分子链发生化学键合，依靠聚合物基体中的自由空间来进行传导，聚合物基体中自由空间体积越大、阴离子扩散系数越高，离子浓度为EO/LiI=11和8固态聚合物电解质具有最高的阴离子扩散系数，可应用于DSSC。
　　（3）制备了含有不同凝胶剂含量的凝胶聚合物电解质，通过测试凝胶聚合物电解质DSSC的输出电流-电压曲线以及电化学阻抗谱，研究不同凝胶剂含量的电解质对DSSC光电转换性能的影响，分析凝胶聚合物电解质的离子传导和界面电荷转移性能，并且通过制备复合凝胶聚合物电解质对凝胶电解质进行优化。实验结果表明，凝胶聚合物电解质可提高DSSC的开路电压，开路电压随着凝胶剂含量的增加而提高，最高开路电压可达到0.873V；分析表明凝胶聚合物电解质DSSC开路电压的提高是由TiO2导带能级位置的提升以及电子复合速率减小这两个原因所致；相对于液态电解质，凝胶聚合物电解质DSSC的长期稳定性得到明显提高；具有较大孔隙率以及孔隙尺寸的光阳极薄膜有助于提高凝胶聚合物电解质在DSSC中的应用性能；TiO2纳米颗粒提高凝胶聚合物电解质的离子传导性能，可同时提高DSSC的开路电压和短路电流。

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1 绪论

1.1 太阳能电池发展概况

1.2 染料敏化太阳能电池基础

1.3 染料敏化太阳能电池组件

1.4 染料敏化太阳能电池性能参数

1.5 染料敏化太阳能电池电解质研究进展

1.6 本课题研究目的及意义

2 实验部分

2.1 实验原料及仪器设备

2.2 电解质的制备

2.3 染料敏化太阳能电池的制备

2.4 电解质及电池的表征

2.5 电解质及电池的电化学测试

3 有机液态电解质的研究

3.1 引言

3.2 I2含量对I-/I3-电解质性能的影响

3.3 阳离子对I-/I3-电解质性能的影响

3.4 溶剂对I-/I3-电解质性能的影响

3.5 4-TBP对I-/I3-电解质性能的影响

3.6 本章小结

4 固态聚合物电解质的研究

4.1 引言

4.2 固态聚合物电解质结构

4.3 固态聚合物电解质离子电导率

4.4 固态聚合物电解质中阴离子的传导

4.5 固态聚合物电解质在DSSC中的应用

4.6 本章小结

5 凝胶聚合物电解质的研究

5.1 引言

5.2 凝胶聚合物电解质性能研究

5.3 凝胶聚合物电解质与光阳极的应用

5.4 复合凝胶聚合物电解质的研究

5.5 本章小结

6 全文总结

6.1 主要结论

6.2 论文创新

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录 1 攻读博士学位期间发表的论文及申请的专利