TiO2纳米晶多孔薄膜微观结构对DSSCs光电性能的影响

摘要

染料敏化太阳能电池(DSSCs)是一种新型高效的太阳能电池，TiO2多孔薄膜是DSSCs主要组成部分。本文从如何制备高品质多孔薄膜光阳极出发，分别采用不同的方法制备TiO2浆料，并对TiO2薄膜微观结构进行调控，以研究微观结构对DSSCs光电转换性能的影响，具体内容如下:
　　1)本文以葡萄糖为原料水热合成碳球作为模板剂，将其与TiO2纳米晶共混制备TiO2多孔薄膜。研究发现:随着碳球含量的增加，光阳极单位体积内的表面积先增加后减小，薄膜对光的散射能力也呈现同样趋势。采用所制备的光阳极组装染料敏化太阳能电池，性能测试结果表明:随着碳球含量的增加，电池短路电流密度先增加后减小，当碳球加入量为TiO2纳米晶质量的3％时，电池光电转换效率达到最佳为5.15％。
　　2)将机械球磨法制备的P25(TiO2纳米晶粉末)浆料和溶胶凝胶制备TiO2胶体均匀混合，并以其为基体，采用刮涂法制备了光阳极。研究发现:将两种不同的制备方法结合在一起能够充分地利用它们的优点，有效改善薄膜的质量;加入碳球模板剂，能够进一步优化薄膜的品质。模拟太阳光，对电池进行光电性能测试，结果表明:采用两种相结合的方法并添加模板剂所制备的光阳极组装成的染料敏化太阳能电池光电转换效率达到最佳为3.17％。
　　3)以水热法为基础，向其溶胶中加入P25，合成了含有不同晶相的TiO2纳米晶胶体。研究了P25的加入量对TiO2纳米晶生长的影响，发现随着P25含量的增多，TiO2纳米晶由单一的锐钛矿相变为含有金红石相和锐钛矿共存的两种矿相，而且薄膜的表面形貌发生了一定的变化。将所合成的TiO2纳米晶薄膜作为染料敏化太阳能电池的光阳极，光电性能测试表明:当加入P25含量为0.5 g的时候，光电转换效率获得最大值为4.05％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池研究综述

1．3 染料敏化太阳能电池的发展

1．4 DSSCs的基本结构和工作原理

1．4．1 DSSCs的基本结构

1．4．2 染料敏化太阳能电池的基本原理

1．5 纳米晶TiO2薄膜的研究进展

1．5．1 纳米晶TiO2制备方法研究

1．5．2 纳米晶TiO2多孔薄膜研究进展

1．5．3 纳米晶TiO2光阳极的改性研究

1．6 研究内容与研究意义

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究意义

第2章 染料敏化太阳能电池的制备和表征

2．1 实验材料与仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．2 DSSCs各部分的制备及组装

2．2．1 FTO导电玻璃

2．2．2 TiO2的合成

2．2．3 光阳极的制备

2．2．4 电解质的制备

2．2．5 敏化剂和对电极

2．2．6 DSSCs组装

2．3 DSSCs性能的测试

2．3．1 开路电压

2．3．2 短路电流密度

2．3．3 J-V特性曲线

2．3．4 填充因子

2．3．5 光电转换效率

2．4 材料表征

2．4．1 场发射扫描电子显微镜

2．4．2 原子力电子显微镜

2．4．3 紫外-可见分光光度计

2．4．4 X射线衍射仪

2．4．5 台阶仪

2．4．6 傅里叶红外光谱

2．5 本章小结

第3章 碳球模板剂对TiO2光阳极微结构及光电性能的影响

3．1 引言

3．2 实验过程及分析

3．2．1 碳纳米球模板的制备

3．2．2 TiO2薄膜的制备

3．3．3 DSSCs的组装与性能检测

3．3 结果和讨论

3．3．1 碳球的红外光谱分析

3．3．2 碳球的表面形貌和粒径表征

3．3．3 TiO2薄膜的表面形貌分析

3．3．4 TiO2多孔薄膜的透射光谱

3．3．5 TiO2电极的染料载负量

3．3．6 TiO2电极的光电性能

3．4 本章小结

第4章 TiO2薄膜制备工艺对DSSCs微结构及光电性能影响

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 溶胶凝胶TiO2的合成

4．2．2 粉末涂敷法P25前驱体的制备

4．2．3 新溶胶-凝胶薄膜的制备及性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 TiO2薄膜的表面形貌图

4．3．2 TiO2多孔薄膜的透射光谱

4．3．3 TiO2光阳极染料紫外-可见吸收光谱

4．3．4 TiO2光阳极的光电转化性能

4．4 本章小结

第5章 掺P25水热法制备TiO2电极对DSSCs光电性能

5．1 引言

5．2 样品的制备

5．2．1 掺P25水热法制备TiO2浆料

5．2．2 TiO2薄膜电极制备性能表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 XRD分析

5．3．2 TiO2薄膜表面形貌图

5．3．3 TiO2薄膜透射光谱分析

5．3．4 TiO2电极的染料载负量

5．3．5 TiO2光阳极的光电转化性能

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 下一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢