基于TiO2光阳极材料的染料敏化太阳能电池研究

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染料敏化太阳能电池因其具备造价低廉、对环境污染小、可工业量产等优点,尤其是高达 30%的理论预测光电转换效率更是受到研究者的关注。由于目前染料敏化太阳能天池的实际光电转换效率远低于理论预测值,如何有效提升染料敏化太阳能电池的效率,成为相关研究者最为关注的关键科学问题之一。  光阳极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分,对其性能与结构的优化可有效提高电池的效率。由于电泳法具备操作简单、成膜稳定、经济且对非平面基板可操作等优点,本文采用电泳法沉积二氧化钛光阳极薄膜,研究不同光阳极薄膜的构成对染料敏化太阳能电池光电特性的影响。论文完成的主要工作如下:  第一,采用溶胶-凝胶法合成了制备光阳极所需要的二氧化钛纳米材料,得到具有单晶状锐钛矿结构的二氧化钛(TNP),其平均晶粒尺寸为5 nm左右。选用合成所得的TNP与购置的平均粒径为20 nm左右的二氧化钛纳米粉(P25)构成复合材料,通过离心分离法进行筛选后,采用电泳沉积法在FTO基板上生长TiO2薄膜层,通过改变反应时间调控二氧化钛薄膜厚度。研究发现,NP薄膜呈现出较为密致的网状结构,P25薄膜呈现为多孔性结构,通过大小粒径二氧化钛纳米粉的复合,小尺寸TNP填充于P25的间隙中,可增大光阳极比表面积,可以提高染料分子的吸附率和光子的捕获效率。  第二,分别采用单一P25和TNP与P25构成的复合材料作为原材料制备出光阳极薄膜,研究光阳极薄膜的材料构成对染料敏化太阳能电池性能的影响。发现仅用P25制备的电池光电转换效率普遍低于复合薄膜的效率,当使用复合材料薄膜时,光电转换效率由2.71%提升到了3.15%。研究表明,当薄膜厚度增加时,光电转换率会先上升,到达极值后开始下降。分析认为,当薄膜的厚度达到一定值后,随着薄膜厚度的增加时,薄膜中出现缺陷和破裂的概率增加,导致了光生电子传输过程中发生复合反应,减少了电子迁移率和电子寿命。  第三,采用电泳法制备出多层结构的光阳极薄膜,研究了光阳极薄膜的不同结构对染料敏化太阳能电池性能的影响。研究发现,光散射层的二氧化钛粒子尺寸约为100 nm,由于尺寸较大对入射的光子进行散射,增大了光子的路径长度;二氧化钛粒子呈团状堆砌,之间有着大小为100 nm左右的孔隙,这种结构利于电解质的渗入,缩短了电子迁移长度。由于使用电泳法制备的光散射层对染料分子几乎无吸附能力,间接阻挡了染料敏化剂与负极的接触,抑制与电极表面电荷的复合反应。相同条件光阳极薄膜,添加光散射层后,光电转换效率提高了33.6%。表现出光散射层提高了入射光的利用效率,增大了光电子产率。通过对制备的电池样品的测试与分析,探索光吸收层与光散射层的优化组成条件,发现在光吸收层大于4μm时,光散射层3μm左右可以获得较高的光捕获效率,添加光散射层后,光电转换效率最高可达到5.20%。
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