染料敏化太阳能电池中纳米光电功能材料研究

《染料敏化太阳能电池中纳米光电功能材料研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、中文摘要摘要染料敏化太阳能电池以其低成本、高效率，最有可能成为硅太阳能电池的替代品，由此引起了人们的广泛关注。这种新型的纳米结构光电转换器件的组装涉及到诸多方面的工作，例如纳米晶介孔薄膜的制备，光敏染料的设计与合成，电解质氧化还原电对的筛选与电解质组成的优化，对电极催化性能的优化，以及器件内部各界面间电荷的转移、传输和复合的微观机理等等。本文分别针对纳米晶电极电荷传输性能，离子液体结构与添加剂对电解质性能的影响，光敏染料分子结构与电池光电转换之间关系，以及纳米晶电极过程与电池工作过程内部电路特性，分别做出如下研究：(1

2、)采用强碱水热法合成二氧化钛纳米管，并与二氧化钛纳米颗粒混合作为染料敏化太阳能电池电极材料，当纳米管与纳米颗粒按照l：l摩尔比混合时，经过500℃烧结lh后，转化成锐钛矿晶型：平均孔体积o．30cm3／g，平均孔径11．42姗，比表面积为105．58n12／g；电极对染料的吸附量达到4．85x104mol／cm2；电池的短路光电流密度8．70IILⅣCm2，开路光电压0．76V，填充因子O．60，光电转化效率3．96％。(2)通过丝网印刷方法在FTO上沉积啊02纳米颗粒层，然后在Ti02纳米颗粒层上低温水热生长有序Zn

3、O纳米线。以扫描电镜观察复合电极表面结构，用电子能谱和粉末衍射确定了复合电极表面的组成。Tith纳米颗粒层能够阻止电解质与导电基底之间的电子复合，同时，ZnO纳米线为电子传输提供了快速通道，所以FTO／TiCh纳米颗粒MZnO纳米线复合电极结构优于FTO／ZnO纳米线电极和FTO／ZnO纳米颗粒电极。基于复合电极结构的电池性能：短路光电流密度8．04mA／cm2，开路光电压0．67V，填充因子0．40。光电转化效率2．15％。(3)合成出五种l一乙烯基—3_烷基咪唑碘(Alkyl=Cr-Cs)离子液体，测定了它们的室温

4、黏度和离子电导率，用量子化学方法计算l一乙烯基一3—烷基咪唑阳离子体积：随咪唑阳离子体积增大黏度增大和离子电导率减小。作为染料敏化太阳能电池电解质使用时，其中以阳离子体积最小(1．0665nm3)，黏度最低(2-3lPa·S)和电导率最高(0．215mS／m)的l一乙烯基—}甲基咪唑碘性能最佳：短路光电流密度7．90mA]cm2，开路光电压0．77V，填充因子O．59。光电转化效率3．590,4。当向电解质体系中添加碘化锂时，电解质导电性能增强，但是同时电池的暗电流也随之增大。主要是因为电极表面吸附的锂离子会降低了亥姆

5、霍兹层电势，导致被氧化的染料分子寿命降低造成的。所以一般认为添加碘化锂的量不宜超过O．1M。(4)采用钼酸铵催化固相合成法合成了2,9，16，23-四羧基酞菁锌(ZnTCPc)，在二甲基亚砜饱和溶液中的Q带吸收峰为688nm和619nm，B带吸收峰为279nm，从吸光光谱角度来说，ZnTCPc可以充分吸收近红外区域光能。通过循环伏安和光谱数据测定了ZnTCPc分子的HOMO能级与LUMO中文摘要能级分别为．5．79eV和一3．99eV：通过Gauss98计算得到ZnTCPc分子的HOMO轨道和LUMO轨道分布，因为Zn

6、TCPc的LUMO轨道并不是分布在含有羧基的配体上。同时，HOMO轨道也不是分布在中心金属原子上。由此说明。染料在受到光激发时，不能有效的产生光生电子。所以，ZnTCPc作为光敏剂组装成DSSC时，在AMl．5模拟光照下，光电转换效率只有0．021％，最高单色光转换效率只有0．37％：在加入月桂酸抑制ZnTCPc在电极表面聚集时，光电转换效率和最高单色光转换效率分别为0．026％和O．62％。(5)电极过程电化学阻抗谱表明：ITO／电极，ITO／Ti02电极和ITO／T102JZnTCPc电极的电子传输性能依次下降；在

7、频率范围lo-2--105Hz测量电池的电化学阻抗：高频区(1—100kHz)主要表现为对电极与电解质界面阻抗zl，中频区(1-1000Hz)主要表现为介孔薄膜与电解质界面阻抗z2，低频区(100mHz-IHz)主要表现为电解质内部扩散作用频阻抗z3；其中zl，Z2和z3对应的电阻分别为Rt=86．3Q，R2=428Q和R3=163Q。频率高于105Hz的阻抗对应的电阻为风=44．6Q。关键词：太阳能电池，纳米晶电极，酞菁锌，离子液体，等效电路ⅡAbslraetAbstractDye-sensitizedsolarce

8、lls(DSSC)haveattractedwidespreadscientificandtechnologicalinterest舔ahigh’ettieieneyandlow-costalternativetotraditionalsiliconSolarcells．Thedevelopmentofkeycomponents,