染料敏化太陽(yáng)能電池中納米光電功能材料研究.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池以其低成本、高效率,最有可能成為硅太陽(yáng)能電池的替代品,由此引起了人們的廣泛關(guān)注。這種新型的納米結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換器件的組裝涉及到諸多方面的工作,例如納米晶介孔薄膜的制備,光敏染料的設(shè)計(jì)與合成,電解質(zhì)氧化還原電對(duì)的篩選與電解質(zhì)組成的優(yōu)化,對(duì)電極催化性能的優(yōu)化,以及器件內(nèi)部各界面間電荷的轉(zhuǎn)移、傳輸和復(fù)合的微觀機(jī)理等等。本文分別針對(duì)納米晶電極電荷傳輸性能,離子液體結(jié)構(gòu)與添加劑對(duì)電解質(zhì)性能的影響,光敏染料分子結(jié)構(gòu)與電池光電轉(zhuǎn)換之間關(guān)

2、系,以及納米晶電極過(guò)程與電池工作過(guò)程內(nèi)部電路特性,分別做出如下研究： (1)采用強(qiáng)堿水熱法合成二氧化鈦納米管,并與二氧化鈦納米顆?；旌献鳛槿玖厦艋?yáng)能電池電極材料,當(dāng)納米管與納米顆粒按照1:1摩爾比混合時(shí),經(jīng)過(guò)500℃燒結(jié)1h后,轉(zhuǎn)化成銳鈦礦晶型：平均孔體積0.30 cm3/g,平均孔徑11.42 nm,比表面積為105.58 m2/g;電極對(duì)染料的吸附量達(dá)到4.85×10-8 mol/cm2;電池的短路光電流密度8.70 m

3、A/cm2,開路光電壓0.76 V,填充因子0.60,光電轉(zhuǎn)化效率3.96％。 (2)通過(guò)絲網(wǎng)印刷方法在FTO上沉積TiO2納米顆粒層,然后在TiO2納米顆粒層上低溫水熱生長(zhǎng)有序ZnO納米線。以掃描電鏡觀察復(fù)合電極表面結(jié)構(gòu),用電子能譜和粉末衍射確定了復(fù)合電極表面的組成。TiO2納米顆粒層能夠阻止電解質(zhì)與導(dǎo)電基底之間的電子復(fù)合,同時(shí),ZnO納米線為電子傳輸提供了快速通道,所以FTO/TiO2納米顆粒/ZnO納米線復(fù)合電極結(jié)構(gòu)優(yōu)于F

4、TO/ZnO納米線電極和FTO/ZnO納米顆粒電極?；趶?fù)合電極結(jié)構(gòu)的電池性能：短路光電流密度8.04 mA/cm2,開路光電壓0.67 V,填充因子0.40,光電轉(zhuǎn)化效率2.15％。 (3)合成出五種1-乙烯基-3-烷基咪唑碘(A1ky1=C1-C5)離子液體,測(cè)定了它們的室溫黏度和離子電導(dǎo)率,用量子化學(xué)方法計(jì)算1-乙烯基-3-烷基咪唑陽(yáng)離子體積；隨咪唑陽(yáng)離子體積增大黏度增大和離子電導(dǎo)率減小。作為染料敏化太陽(yáng)能電池電解質(zhì)使用時(shí)

5、,其中以陽(yáng)離子體積最小(1.0665 nm3),黏度最低(2.31 Pa·S)和電導(dǎo)率最高(0.215 mS/cm)的1-乙烯基-3-甲基咪唑碘性能最佳：短路光電流密度7.90 mA/cm2,開路光電壓0.77 V,填充因子0.59,光電轉(zhuǎn)化效率3.59％。當(dāng)向電解質(zhì)體系中添加碘化鋰時(shí),電解質(zhì)導(dǎo)電性能增強(qiáng),但是同時(shí)電池的暗電流也隨之增大。主要是因?yàn)殡姌O表面吸附的鋰離子會(huì)降低了亥姆霍茲層電勢(shì),導(dǎo)致被氧化的染料分子壽命降低造成的。所以一般認(rèn)

6、為添加碘化鋰的量不宜超過(guò)0.1 M。 (4)采用鉬酸銨催化固相合成法合成了2,9,16,23-四羧基酞菁鋅(ZnTCPc),在二甲基亞砜飽和溶液中的Q帶吸收峰為68g nm和619 nm,B帶吸收峰為279 nm,從吸光光譜角度來(lái)說(shuō),ZnTCPc可以充分吸收近紅外區(qū)域光能。通過(guò)循環(huán)伏安和光譜數(shù)據(jù)測(cè)定了ZnTCPc分子的HOMO能級(jí)與LUMO能級(jí)分別為-5.79 eV和-3.99 eV：通過(guò)Gauss 98計(jì)算得到ZnTCPc分子

7、的HOMO軌道和LUMO軌道分布,因?yàn)閆nTCPc的LUMO軌道并不是分布在含有羧基的配體上。同時(shí),HOMO軌道也不是分布在中心金屬原子上。由此說(shuō)明,染料在受到光激發(fā)時(shí),不能有效的產(chǎn)生光生電子。所以,ZnTCPc作為光敏劑組裝成DSSC時(shí),在AM1.5模擬光照下,光電轉(zhuǎn)換效率只有0.021％,最高單色光轉(zhuǎn)換效率只有0.37％：在加入月桂酸抑制ZnTCPc在電極表面聚集時(shí),光電轉(zhuǎn)換效率和最高單色光轉(zhuǎn)換效率分別為0.026％和0.62％。

8、 (5)電極過(guò)程電化學(xué)阻抗譜表明:ITO/電極,ITO/TiO2電極和ITO/TiO2/ZnTCPc電極的電子傳輸性能依次下降；在頻率范圍10-2-105 Hz測(cè)量電池的電化學(xué)阻抗：高頻區(qū)(1-100 kHz)主要表現(xiàn)為對(duì)電極與電解質(zhì)界面阻抗Z1,中頻區(qū)(1-1000 Hz)主要表現(xiàn)為介孔薄膜與電解質(zhì)界面阻抗Z2,低頻區(qū)(100 mHz-1 Hz)主要表現(xiàn)為電解質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散作用頻阻抗Z3：其中Z1,Z2和Z3對(duì)應(yīng)的電阻分別為R1=86