基于準固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池及光伏性能研究.pdf

1、隨著人類社會的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)能源燃料的消耗和需求急劇增加，由此引起的環(huán)境污染和傳統(tǒng)能源的日漸枯竭成為人類必須面臨的難題。因此，開發(fā)新型的可再生能源成為當今能源產(chǎn)業(yè)的首要任務?？稍偕茉粗?，太陽能具有清潔環(huán)保，無任何污染，取之不盡、用之不竭等優(yōu)點。太陽能光電轉(zhuǎn)化由于具有諸多的優(yōu)點，近年來在綠色可再生能源的開發(fā)中，受到了極大的矚目;太陽能光電轉(zhuǎn)化的一個重要應用方式就是太陽能電池的開發(fā)和利用。近些年來對第三代太陽能電池—染料敏化太陽能電池(D

2、SC)中的應用研究吸引了全世界研究者的廣泛關(guān)注。典型的染料敏化太陽能電池由光陽極材料、染料敏化劑、電解液和光陰極材料四部分組成。然而傳統(tǒng)的DSC的電解質(zhì)都是液態(tài)的，液態(tài)電解質(zhì)由于易揮發(fā)、易泄露、易腐蝕電極，使得DSC的長期穩(wěn)定性得不到保障。此外，液態(tài)電解質(zhì)中有毒性的有機溶劑也是制約其商業(yè)化的因素。因此，要使DSC的實際應用得以實現(xiàn)，研發(fā)和利用離子遷移率高、穩(wěn)定性強的準固態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)成為重要的研究課題之一。本文圍繞鋅基和鈦基準固態(tài)DSC

3、的構(gòu)建進行研究，主要針對準固態(tài)電解質(zhì)的制備、器件集成的工藝優(yōu)化、全面提高準固態(tài)DSC中光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題展開了研究，具體研究進展如下:
　　1.構(gòu)建了一種用聚苯乙烯(PS)作為凝膠劑的凝膠電解質(zhì)，通過調(diào)控電解質(zhì)中乙腈與戊腈的組成比來構(gòu)建準固態(tài)ZnO-DSC。實驗結(jié)果顯示，當溶劑中乙腈與戊腈的體積比為85∶15時，其光電轉(zhuǎn)化效率達到了4.08％，這與同條件下的液態(tài)電解質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率(4.12％)相比基本上沒有衰減。此外，凝

4、膠態(tài)的DSC在室內(nèi)和戶外20天的測試下光電轉(zhuǎn)化效率僅僅衰減了7％和12％，但是同條件下的液態(tài)電解質(zhì)的太陽能電池衰減達到了27％和37％。結(jié)果表明:相比于液態(tài)電解質(zhì)，構(gòu)建的鋅基凝膠DSC不僅保持了液態(tài)電解質(zhì)器件的轉(zhuǎn)化效率，而且提高了器件的穩(wěn)定性，這對太陽能電池的實際應用具有一定的指導意義。
　　2.合成了一種石墨烯和聚苯乙烯微球復合的準固態(tài)電解質(zhì)，并將其成功地應用到ZnO-DSC中。研究發(fā)現(xiàn):1）當石墨烯的摻雜量為12mg/mL時，

5、準固態(tài)電解質(zhì)的電導率由32.8 mS/cm提高到39.8 mS/cm;2）光電性能測試顯示，準固態(tài)DSC的短路電流由13.86 mA/cm2提高到18.86mA/cm2，光電轉(zhuǎn)化效率由4.09％提高到5.08％;電化學阻抗測試結(jié)果表明:石墨烯的加入增強了電子在DSC中的傳輸，降低了電子的傳輸阻抗;3）將最優(yōu)石墨烯摻雜量的準固態(tài)電解質(zhì)組裝電池，測試其穩(wěn)定性，結(jié)果表明:石墨烯和聚苯乙烯構(gòu)建的ZnO基準固態(tài)DSC在1000 h的戶外測試后，仍

6、然能夠保持其初始效率的90％。這表明石墨烯復合電解質(zhì)的DSC展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性，為準固態(tài)電解質(zhì)DSC的實際應用提供了可能。
　　3.構(gòu)建了一種金修飾的TiO2光陽極，通過簡單的自組裝方法，制備了一種金納米顆粒與TiO2的復合光陽極。TEM表征顯示，金納米顆粒的大小約為6 nm;紫外吸收光譜顯示，相比于純的TiO2，Au/TiO2復合光陽極在520-600 nm范圍內(nèi)的光吸收明顯增強;光電性能表征顯示:在最優(yōu)的自組裝前驅(qū)體HAuCl

7、4·3H2O濃度（80μg/mL）下，相比于純TiO2，Au/TiO2復合光陽極DSC的短路電流密度提高了14％，光電轉(zhuǎn)化效率達到了10.02％;同時將復合光陽極應用到聚氧化乙烯(PEO)為凝膠劑的準固態(tài)DSC中進行了初步的探索，結(jié)果表明，其轉(zhuǎn)化效率達到了8.12％，相比于純TiO2的準固態(tài)DSC，效率提高了6％。以上結(jié)果表明，金納米顆粒在可見光范圍內(nèi)的等離子效應，使得復合光陽極膜在520-600 nm的光吸收增強，對DSC轉(zhuǎn)化效率有了