基于苯并喹喔啉染料和不同电解质的染料敏化太阳能电池的研究

来源 :华东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shaonvshashou
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染料敏化太阳能电池(DSSCs)是利用染料分子吸收太阳光,从而将太阳能转换成电能的一种新型太阳能电池,具有制作工艺简单、成本低、光电转换效率较高等优势,引起了全世界的广泛研究。目前,许多研究工作主要针对n-DSSCs,但高效的p-DSSCs的开发对于pn-串联电池具有重要意义,因此也不容忽视。本论文设计合成了三个基于苯并喹喔啉的p-型纯有机染料敏化剂,并对p-型电池的光阴极半导体进行了优化。此外,还对四个基于二噻吩硅杂环戊二烯的纯有机n-型染料敏化剂Q-85、BT-87、Q-93和BT-99在钴电解质中的光电性能进行了优化。最后制备合成了铜电解质,并对聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)(PEDOT)电极的电化学制备方法进行了探索,为未来基于铜电解质的DSSCs深入研究做了前期工作。  第一章:首先简要阐述了DSSCs的结构、工作原理以及性能评价标准。此外介绍了电池的工作电极(光阳极和光阴极)、敏化剂、电解质以及对电极的研究进展,在此基础上提出了本论文的设计思路和主要研究内容。  第二章:苯并喹喔啉作为π桥链可以拓宽染料敏化剂的吸收光谱,同时通过增加桥链的共轭长度促进染料分子内部的电子和空穴分离。设计合成了三个基于苯并喹喔啉的p-型染料敏化剂BQ-Ⅰ、BQ-Ⅱ和BQ-Ⅲ,这三个敏化剂的主要区别在于吸附基团的不同。BQ-Ⅰ是以传统的羧酸作为吸附基团,而BQ-Ⅱ和BQ-Ⅲ是以新型的吡啶作为吸附基团,其中BQ-Ⅱ连接了两个吡啶吸附基团,而BQ-Ⅲ仅连接一个吡啶基团。研究结果表明,以羧酸作为吸附基团的BQ-Ⅰ具有较强的吸附能力,其光电转换效率超出染料BQ-Ⅱ敏化的电池40%,达到了0.14%。接下来,本文还针对染料BQ-Ⅰ敏化的DSSCs的光阴极半导体做了进一步优化,通过在氧化镍半导体表面喷涂一层导电性较好的二氧化钛半导体,抑制电解质和氧化镍间的电荷复合,同时不影响电池内部的电荷传输,有效提升了电池的光伏性能。通过喷涂二氧化钛的次数调整二氧化钛膜的厚度,喷涂了六次二氧化钛前驱体溶液的NiO薄膜光伏性能最佳,应用于基于BQ-Ⅰ的p-DSSC电池中,电池的电流、电压均有所提高,光电转换效率提升到了0.200%。  第三章:基于二噻吩硅杂环戊二烯作为π共轭桥链的四个染料分子Q-85、BT-87、Q-93和BT-99在碘电解质中具有较好的光伏性能。为了进一步提高电池的光电转换效率,将四个染料在联吡啶钴电解质中,针对不同的染料通过不同的膜厚、电解质组分以及鹅去胆酸(CDCA)的浓度进行优化。结果显示,基于吲哚啉小给体和氰基乙酸为受体染料BT-87的DSSCs在锂盐浓度较高的条件下通过CDCA优化光电转换效率达到了10.80%,表明小给体染料分子也同样适用于钴电解质。  第四章:铜电解质的氧化还原电势明显高出碘电解质和钴电解质,以铜配合物作为电解质的DSSCs电压较高。本文设计并合成以邻氮二杂菲作为配体的铜电解质,并从电极制备的扫描时间,扫描电压以及溶液的浓度三个方面对PEDOT电极的电化学制备方法进行了优化。基于染料Q-85的DSSCs光电性能测试结果显示,当PEDOT电极过厚时,由于电池的总电阻增加以及电荷的传输时间增加,使得电池的电压有所下降,且填充因子也明显下降。但过薄的电极厚度会影响电荷传输,导致电流明显降低。当扫描时间为5min,扫描电压1.5V且电解质中EDOT浓度为1.0mol/L时,制备的PEDOT电极厚度最为适宜,使得染料Q-85敏化的DSSCs的光电压达到了820mV。
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