敏化太陽(yáng)能電池的性能研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-Sensitized Solar Cell，即DSSC)以其簡(jiǎn)單的制備工藝、低廉的成本優(yōu)勢(shì)逐漸成為了最具有前景的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品之一。為進(jìn)一步降低DSSC的成本，提高其穩(wěn)定性，人們采用無(wú)機(jī)納米晶半導(dǎo)體量子點(diǎn)替代有機(jī)的染料敏化劑，研制出了新型量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(Quantum-Dot sensitized SolarCell，即QDSC)，其獨(dú)有的特點(diǎn)使其成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究了

2、四個(gè)方面的內(nèi)容:
　　 (1)基于TiO2納米顆粒多孔薄膜光陽(yáng)極的DSSC的性能研究。采用溶膠凝膠法制備TiO2納米顆粒，并將其與松油醇、乙基纖維素等混合后制成絲網(wǎng)印刷用漿料，通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)獲得TiO2納米顆粒多孔薄膜，控制絲網(wǎng)印刷的次數(shù)可獲得不同厚度的TiO2納米顆粒多孔薄膜光陽(yáng)極，采用SEM、TEM、XRD研究TiO2納米顆粒的結(jié)構(gòu)以及絲網(wǎng)印刷所得薄膜的形貌和結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明:TiO2納米顆粒為銳鈦礦結(jié)構(gòu)。粒徑大小約30nm

3、，絲網(wǎng)印刷的TiO2納米顆粒多孔薄膜中納米顆粒分布均勻并形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)。將不同厚度的TiO2納米顆粒多孔薄膜敏化后與I-/I3-電解液和Pt對(duì)電極組裝成DSSCs，通過(guò)電池的J-V特性、單色光光子電子轉(zhuǎn)化效率(IPCE)、電化學(xué)阻抗譜(EIS)、光強(qiáng)調(diào)制光電流/電壓譜(IMPS/IMVS)的測(cè)試，研究TiO2納米顆粒多孔薄膜光陽(yáng)極的厚度對(duì)電池的光伏性能、電子傳輸與復(fù)合特性的影響。結(jié)果表明:隨著TiO2光陽(yáng)極厚度從5μm逐漸增加到14

4、μm，電池的光電轉(zhuǎn)換效率從3.78％逐漸增加到5.75％，光電子在光陽(yáng)極中的傳輸時(shí)間從2.33 ms逐漸增加到8.95ms，電子擴(kuò)散系數(shù)從4.57×105cm2/s增加到14.74×10-5cm2/s，DSSC中電子傳輸、復(fù)合和收集的過(guò)程相互競(jìng)爭(zhēng)和相互制約，電子的擴(kuò)散能力影響著電子的收集和電池的光電轉(zhuǎn)換效率;電子被陷阱和表面態(tài)的俘獲/脫俘過(guò)程相互競(jìng)爭(zhēng)影響著電子壽命和擴(kuò)散系數(shù);光電子的復(fù)合與傳輸相互競(jìng)爭(zhēng)，影響著光電子的收集效率。
　

5、　 (2)基于TiO2納米顆粒/TiO2納米線復(fù)合薄膜光陽(yáng)極DSSC的性能研究。采用溶膠凝膠法制備TiO2納米顆粒粉體，水熱合成法制備TiO2納米線粉體，將TiO2納米顆粒粉體和TiO2納米線粉體按不同質(zhì)量比混合并制備成漿料，利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備厚度為14μm的復(fù)合薄膜，將復(fù)合薄膜進(jìn)行敏化后與I-/I3-電解液和Pt對(duì)電極組裝成DSSC，通過(guò)J-V特性、IPCE、EIS、IMPS/IMVS測(cè)試，研究光陽(yáng)極薄膜中TiO2納米顆粒/TiO

6、2納米線的質(zhì)量比對(duì)電池的光伏性能、電子傳輸和復(fù)合特性的影響。結(jié)果表明:隨著納米線比例的上升，電池的光電轉(zhuǎn)化效率先減小后增大，在TiO2納米顆粒:TiO2納米線為75∶25時(shí)達(dá)最高為2.77％，電子在光陽(yáng)極中的傳輸時(shí)間及電子壽命先增大后減小，當(dāng)復(fù)合光陽(yáng)極中納米線的比例從50％逐漸增加到75％時(shí)，電子在光陽(yáng)極中的傳輸時(shí)間逐漸減小，擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大，復(fù)合光陽(yáng)極中納米線的比例從25％增加到50％時(shí)，光電子在光陽(yáng)極中的傳輸時(shí)間逐漸增加，擴(kuò)散系數(shù)逐

7、漸較小。
　　 (3) CdS量子點(diǎn)敏化TiO2納米線束陣列太陽(yáng)能電池的性能研究。采用水熱合成技術(shù)，以鹽酸、去離子水和酞酸丁酯為反應(yīng)前驅(qū)物，在FTO襯底上生長(zhǎng)TiO2納米線束陣列，以連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法制備CdS量子點(diǎn)敏化TiO2納米線束陣列光陽(yáng)極。將具有不同敏化周期的TiO2納米線束陣列光陽(yáng)極與I-/I3-電解液和Pt對(duì)電極組裝成QDSC，通過(guò)對(duì)電池的J-V特性、IPCE、IMPS測(cè)試研究不同循環(huán)敏化周期對(duì)QDSC的光伏性能

8、以及IPCE的影響，研究了敏化的循環(huán)周期對(duì)QDSC的光伏性能和電子傳輸?shù)挠绊懸?guī)律。結(jié)果表明:隨著敏化循環(huán)周期的增加，CdS量子點(diǎn)的大小和密度都增加，光電轉(zhuǎn)化效率先增大后減小，當(dāng)敏化循環(huán)的周期為15次時(shí)取得最佳光伏性能，此時(shí)電池的短路電流密度0.61 mA/cm2，開路電壓0.65V，填充因子0.50，光電轉(zhuǎn)換效率0.20％，光電子在光陽(yáng)極中的擴(kuò)散系數(shù)為3.20×10-6cm2/s，傳輸時(shí)間為2.10×10-2s。
　　 (4)

9、CdS量子點(diǎn)敏化TiO2納米顆粒多孔薄膜太陽(yáng)能電池的性能研究。依次研究了TiO2納米顆粒多孔薄膜的厚度、CdS量子點(diǎn)敏化周期數(shù)對(duì)QDSC光伏性能的影響，并比較了多硫電解液和I-/I3-電解液對(duì)QDSC的性能影響。結(jié)果表明TiO2納米顆粒多孔薄光陽(yáng)極的最佳膜厚度為14μm，最佳CdS量子點(diǎn)敏化周期數(shù)為20次，用I-/I3-電解液組裝的QDSC的穩(wěn)定性較差，用多硫電解液組裝的QDSC雖然穩(wěn)定性得到了提高，但由于Pt對(duì)于S2-與電子反應(yīng)的催化