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染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其性能研究

/2019-01-17 17:00

  染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型光电能量转换器件,具有成本低、制备工艺简单、性能稳定、对环境友好等优点,并且有良好的发展和应用前景而受到广泛关注。自从M Gr(a)tzel研究小组获得10%以上的转换效率后,DSSC被认为是传统硅系列太阳能电池最有可能的替代品。光阳极(负载有敏化剂的纳米晶薄膜电极)是DSSC太阳能电池的关键,不但起吸收太阳光产生光电子的作用,而且起到负责收集和传输电子的作用,其性能直接关系到太阳能电池的效率,对它的研究与开发具有很重要的意义。本论文针对目前光阳极研究工作中的一些热点和难点,重点研究了ZnO和Zn2TiO4电极材料以及天然染料在染料敏化太阳能电池中的应用,同时也提出了一些新的提高光电转换效率的方法,为进一步的研究工作奠定了基础。

  1.采用溶胶-凝胶工艺,以二水合乙酸锌Zn(CH3COO)2·2H2O和乙醇胺NH2CH2CH2OH为原料,在FTO导电玻璃基片上,利用旋转涂覆法成功制备了纳米晶ZnO薄膜电极。利用XRD,SEM对其晶相组成及表面形貌进行了表征,得出在450℃退火条件下,ZnO结晶良好,粒径约为30nm,且薄膜表面粗糙多孔,有很大的表面积,可吸附更多的敏化剂,因而适用于制备DSSC的光电极。

  以酞菁锌(ZnPc)染料和硫化铅量子点(Q-PbS)为敏化剂,制备了ZnO光阳极,研究了它们光吸收特性,结果表明ZnPc和Q-PbS对ZnO纳米多孔膜产生了良好的敏化作用,它们两者的复合敏化效果最好。制备了以FTO/ZnO/Q-PbS/ZnPc为光阳极的光电池,并测定了它的工作特性曲线。该电池在模拟太阳光下,具有较强的光电响应,其开路电压为304mV,短路电流为1.42mA,光电转换效率为0.696%,填充因子为0.348。如果对ZnO纳米晶多孔膜的孔洞分布,孔径大小和膜厚、对电极材料和制备工艺,电解液的组成等这些因素加以优化,那么这种电池的光电转换效率还可得到提高。

  2.以二水合乙酸锌和钛酸丁酯为原料,采用成本低廉、工艺流程简单的溶胶-凝胶法制备纳米晶Zn2TiO4样品,并首次将Zn2TiO4用作DSSC的电极材料,得到了令人鼓舞的结果。

  采用溶胶-凝胶法配制TiO2溶胶和ZnO溶胶,按Zn与Ti的摩尔比2∶1进行混合,配制成Zn2TiO4前躯体溶胶液。在FTO导电玻璃基片上,采用旋转涂覆法成功制备了纳米晶Zn2TiO4薄膜电极,在550℃退火条件下,生长的Zn2TiO4薄膜,Zn2TiO4颗粒基本呈球形或近球形,分散良好,无团聚和大块堆积现象,粒径尺寸约几个纳米;膜表面平整,致密。

  以ZnPc和Q-PbS为敏化剂,制备了Zn2TiO4光阳极,研究了他们光吸收特性,结果表明ZnPc和Q-PbS可敏化Zn2TiO4纳米晶薄膜,两者的复合敏化能极大的提高光吸收。首次报道了以FTO/Zn2TiO4/Q-PbS/ZnPc为光阳极的光电池,在模拟太阳光下,具有较强的光电响应,测得其开路电压为325mV,短路电流为1.38mA,光电转换效率为0.85%,填充因子为0.409,显示出Zn2TiO4电池具有很大研究意义和发展前景。由于经验不足和试验条件的限制,未能对其中机理进行深入探讨,有待于进一步研究。

  3.尝试从天然植物中提取染料代替稀有昂贵的人工合成染料,用作敏化剂,以探讨天然染料作为敏化剂的性能。

  从叶子、花、果实和果皮中提取出七种天然染料,通过对它们UV-vis吸收光谱的比较,发现由月季叶中提取的染料表现出较好的光响应性能。月季叶染料在与Zn2TiO4结合后表现出一定的电子转移特性;并能成功敏化了Zn2TiO4电极,使其吸收峰产生了很明显的红移。由月季叶染料敏化的Zn2TiO4太阳能电池获得了的较好的光电性能。在模拟太阳光下,该电池获得了11.5μA的短路光电流,94.5mV的开路电压,0.285的填充因子。显然,天然染料敏化活性不如人工合成染料,事实上,天然染料敏化电池的应用远远低于工业的要求。但是,对他们的研究不仅有利于传播教育人们有关可再生能源方面的知识,而且提供了一种简便的制备具有低成本、环境友好DSSC太阳能电池的新途径。这种天然染料敏化的太阳能电池可通过对天然染料进行分离和纯化,以及对电池结构进一步优化等,来进一步提高其光电转换效率。

  摘要: 染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型光电能量转换器件,具有成本低、制备工艺简单、性能稳定、对环境友好等优点,并且有良好的发展和应用前景而受到广泛关注。自从M Gr(a)tzel研究小组获得10%以上的转换效率后,DSSC被认为是传统硅系列太阳能电池最有可能的替代品。光阳极(负载有敏化剂的纳米晶薄膜电极)是DSSC太阳能电池的关键,不但起吸收太阳光产生光电...

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