无机固态电解质的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:geng20516136
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染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,简称DSSCs)主要是模仿光合作用原理,研制出来的一种新型太阳能电池。作为DSSCs的重要组成部分,电解质直接影响DSSCs的光电性能和稳定性。目前两种广泛使用的电解质均是液体电解质,包括氧化还原对Co3+/Co2+和I-/I3-。基于Co3+/Co2+液体电解质DSSCs的光电转化效率(PCE)最高,为14.30%。尽管基于液体电解质的DSSCs可以实现较高的PCE,但液体电解质价格昂贵,易于泄漏,从而导致DSSCs的稳定性较差。为了减少成本以及提高DSSCs的长期稳定性,开发廉价、更稳定的固态电解质已经成为DSSCs研究和开发中的重要课题。为降低染料敏化太阳能电池的生产成本以及提高电池的稳定性,本论文进行了以下的固态电解质研究工作:(1)二维材料Ti3C2表面负载着大量的官能团如羟基、氟基等。经过计算得知:Ti3C2O2是窄带隙半导体,并且可以改变负载官能团来确定带隙的改变。能带结构的可调节性意味着这种材料有代替I-/I3-氧化还原对作为电解质的可能性。Ti3C2O2的制备条件为:用HF酸刻蚀法将Ti3AlC2的Al刻蚀,制备成Ti3C2,以四丁基氢氧化铵(TBAOH)对Ti3C2进行插层,在低温、氧气氛围下进行烧结,生成Ti3C2O2并应用于染料敏化太阳能电池中的固态电解质方面。我们分别采用了刮涂、喷涂等方法将Ti3C2O2固态电解质用于制备器件,但结果并不理想。其原因是Ti3C2O2的导带位置低于染料的HOMO能级,不能有效的阻止电子向对电极传输;同时Ti3C2O2片层之间以及Ti3C2O2和染色后的TiO2之间接触不好,导致电阻增大,从而引起效率较低。但该尝试证明了这种方法的可行性,为今后Mxene在染敏电池中的应用提供了一种新思路。(2)CuI的价带(约-5.1 eV)可以匹配大多数光敏材料的HOMO能级。同时,较高的CuI导带(-2.0 eV)可以阻止电子从光敏材料的LUMO能级到对电极的传输。CuI材料的空穴迁移率为43.9 cm2/(V·s),并且常温下处于稳定状态,并表现出p型半导体的特性。因此,我们选用CuI为固态电解质进行DSSCs器件的制备。首先我们选择了合适的溶剂(乙腈)溶解CuI,并探索了4-叔丁基吡啶(TBP)和锂盐对电池效率的影响。我们发现将15 mg CuI溶于1 ml乙腈,并向其中加入75μL TBP、90μL锂盐时,电池的效率最高为7.3%。接着我们采用了溶剂挥发等方法制备了准固态染敏电池和固态染敏电池,效率分别为4.36%、2.32%。这项研究为设计高效固态染料敏化太阳能电池提供了一种新的可能。
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