染料敏化太阳能电池柔性光阳极的制备及其性能研究

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染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSC)有较高的光电效率和低廉的成本,具有良好的发展前景。但是传统导电玻璃基DSSC价格较高、质量较重且不可弯曲,制约了DSSC的规模化生产与应用,用柔性导电基底材料替代传统的导电玻璃基底可以解决这些问题。纺织品具有可折叠、可穿戴的特点,将其作为DSSC的基底,制备纺织品基DSSC,可以作为自供电可穿戴电子纺织品的能源收集器,应用于医疗保健、军事和运动健身等领域。但是柔性材料难以耐受半导体层制备过程中的烧结温度,而低温方法制备的DSSC中TiO2颗粒之间联接不够紧密,且容易脱离基底,影响电池的光电转换效率和电池寿命,而且目前DSSC低温制备工艺较为复杂,难以实现应用。此外,染料敏化剂与半导体材料的结合对DSSC的光电转换效率有很大的影响,而相关研究尚不充分。针对以上问题,本文主要进行了以下两个方面的研究:(1)以柔性导电织物为光阳极基底,采用TiO2/聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)作为光阳极材料制备柔性DSSC光阳极。通过涂层工艺分别制备了不同TiO2含量、不同烘干温度和不同涂膜厚度的TiO2/PVDF光阳极,进而组装纺织品基DSSC。所制备的TiO2/PVDF膜表面连续且均匀,TiO2在PVDF中分散均匀,薄膜表面没有明显的裂缝,PVDF作为三维骨架支撑、连缀TiO2颗粒,使其更加牢固而均匀的附着在导电织物表面。但当TiO2含量增加至70%时,TiO2/PVDF膜出现明显的裂缝;当烘干温度升高至90℃后,TiO2颗粒聚集严重,TiO2/PVDF膜的空隙和缺陷增多。TiO2含量增加,染料吸附量增加;涂膜时烘干温度升高,染料吸附量降低。随着TiO2含量的增大,TiO2/PVDF膜对光的吸收增强,而当TiO2含量达到60%之后,TiO2/PVDF膜对光的吸收接近饱和。组装电池,发现当TiO2含量为60%,烘干温度为30℃,涂膜厚度为6层时,DSSC具有最高的光电转换效率0.4292%,此时JSC、VOC和FF分别为2.7852 m A/cm~2、0.536 V和0.2875。(2)采用高温烧结的方法以导电玻璃为基底制备TiO2半导体薄膜,探讨了TiO2半导体薄膜对N719染料的吸附性能,以及染料敏化条件对于电池光电性能的影响。首先测定了不同染料浓度(0.2 m M、0.5 m M、0.8 m M,敏化温度为20℃)和不同敏化温度(10℃、20℃、30℃,染料浓度为0.5 m M)下染料的吸附性能曲线,结果表明TiO2半导体薄膜对N719染料的吸附过程更符合准二级动力学方程,TiO2半导体薄膜对N719染料的吸附等温线符合Langmuir等温线模型,TiO2半导体薄膜对N719染料吸附为化学单分子层吸附,且是一个吸热过程。随后将N719敏化后的光阳极组装电池,测试其光电性能,发现随着染料敏化时间的增加,JSC逐渐升高,光电转换效率也不断增加,到一定时间后趋于平缓。另外,研究发现光阳极面积的增加导致DSSC光电性能的下降。
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