研究染料敏化纳米晶太阳电池_毕业设计论文(编辑修改稿)

研究染料敏化纳米晶太阳电池_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

长处的光电转化情况，它反映了电极在不同波长处的光电转化能力。 而表征染料敏化纳米晶薄膜太阳电池性能好坏的最直接方法是测定电池的输出光电流 电压曲线即 IV 曲线。 从图中可以得出太阳电池性能的主要指标，如开路光电压（ opencircuit voltage， Voc）、短路光电流密度（ shortcircuit photocurrent density， Jsc）、填充因子（ fill factors，FF）和光电转换效率η global 等参数。 电路 处于开路（即外电阻为无穷大）时的光电压称为开路光电压。 电路处于短路（即外电阻为零）时产生的光电流称为短路光电流；单位面积短路光电流称为短路光电流密度。 染料敏化纳米晶太阳电池的短路光电流密度对应于光电流作用谱中 IPCE 在可见光部分的积分面积。 积分面积越大，则短路光电流密度越大。 电池具有最大输出功率时的电流密度 Jopt 和光电压 Vopt 的乘积与短路光电流密度和开路电压乘积的比值。 即 FF=Jopt*Vopt/Jsc*Voc 电池的最大输出功率 Popt 与 输入光功率 Pin 的比值称为光电转换效率。 即 η＝Popt/Pin =Jsc*Voc*FF/Pin 第三章 纳米晶 TiO2 膜电极 纳米晶 TiO2 膜电极是整个太阳能电池的关键，其性能的好坏直接关系到太阳能电池的效率。 纳米晶 TiO2膜 TiO2 是一种价廉、无毒、稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料 ,它的吸收范围在紫外区 ,因此须进行敏化处理。 为了提高光捕获效率和量子效率 ,可以将半导体二氧化钛纳米化、多孔化、薄膜化。 这样的结构使 TiO2 具有高比表面积 ,使其能吸附更多的单层染料分子 ,只有紧密吸附在半导体 表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。 另外 ,这种结构的电极 ,其表面粗糙度大 ,太阳光在粗糙表面内多次反射 ,可被染料分子反复吸收 ,从而大大提高太阳光的利用率。 在引入纳米晶膜电极之前 ,人们无法同时提高染料的光吸收率和光电量子效率 ,这严重制约了染料敏化太阳能电池的发展。 虽说平板 TiO2 半导体电极在吸附单分子枣庄职业学院毕业设计（论文） 11 层染料后具有最佳的电子转移效率，但是由于平板电极的表面积很小 ,电极表面吸附的单分子层染料对光的吸收较差 ,最大只有百分之几 ,因此其效率大都在 %以下；虽然在平板电极上进行多层吸附可以增大光的吸收效率 ,但 在外层染料的电子转移过程中 ,内层染料起到了阻碍作用 ,降低了光电转化量子效率。 直到 1985 年 Gra tzel 等首次将高表面积纳米晶 TiO2 电极引入到染料敏化电极的研究 ,才推动了该领域研究的发展。 纳米晶膜的多孔性使得它的总表面积远大于其几何面积。 例如 10μ m 厚、粒度 15～ 20nm 的 TiO2 膜的表面积可以增大约 20xx 倍。 如果在其表面吸附单分子层光敏染料 ,由于纳米晶具有非常大的比表面积 ,可以使电极在最大波长附近光的吸收达到 100 %。 所以染料敏化纳米晶半导体电极既可以吸附大量的染料 ,从而可有效的吸收 太阳光 ,同时又可以保证高的光电量子效率。 TiO2纳米晶电极微结构，如粒径、气孔率对太阳能电池的光电转换效率有非常大的影响。 首先 ,太阳能电池所产生的电流与 TiO2电极所吸附的染料分子数直接相关。 一般来说 ,表面积越大 ,吸附的染料分子越多 ,因而光生电流也就越强。 另一方面 , TiO2 粒径越小 ,它的比表面积越大 ,此时电极的孔径将随之变小。 在低光强照射下 ,传质动力学速度能够满足染料的再生 ,在此条件下孔径大小对光电性质影响不大。 而在强光照射下 ,传质动力学速度一般不再能够满足染料的再生 ,此时孔径大小对光电性质的影响较大。 造成这些结果的主要原因是 ,小孔吸附染料后 ,剩余的空间很小 ,电解质在其中扩散的速度将大大降低 ,因此电流产生效率也将下降。 所以 ,如何选择合适大小的半导体粒度对电极的光电性质影响很大。 制约染料敏化太阳能电池光电转化效率的一个因素就是光电压过低。 这主要是由电极表面存在的电荷复合造成的。 因为纳米晶半导体中缺少空间电荷层 ,同时存在大量的表面态 ,导带中的电子很容易被表面态陷阱俘获 ,大大增加了与氧化态电解质复合的几率。 因此 ,如何降低电荷复合就成为改善光电转换效率的关键。 目前有很多研究对电极表面修饰后 ,能使光电性能明显提高 ，这将在 中稍作介绍。 晶型和粒径可控的纳米 TiO2的制备 在染料敏化纳米晶太阳电池中，可以用的纳米半导体材料很多，如金属硫化物、枣庄职业学院毕业设计（论文） 12 金属硒化物、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、锶、铁、铈等金属的氧化物。 在这些半导体材料中，二氧化钛性能较好，主要表现在：作为光电极稳定性很好、价格便宜、制备方法简单、抗腐性能良好而且无毒。 二氧化钛在常温下有金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中金红石最稳定。 锐钛矿和板钛矿分别在 1000176。 C 和 750176。 C不可逆转的转化成金红石。 金红石的带隙为3eV，锐钛矿的带隙为 ，吸收范围都在紫外区，因此需要进行敏化处理，才能吸收可见光。 目前制备纳米 TiO2的方法较多 ,有溶胶凝胶法，粉末涂覆法， TiCl4水解法 ,电化学方法 ,模板组装技术等 ,但容易实现对 TiO2 晶型和粒径有效控制的制备方法主要是溶胶凝胶法。 溶胶凝胶法具有简单的加工过程，可以控制薄膜厚度和表面形貌以及更佳的光学活性等优点。 是以钛酸酯为 原料 ,加入溶剂，水，催化剂等 ,通过水解与聚合反应制得溶胶凝胶液 ,然后经过干燥焙烧后制得二氧化钛薄膜。 纳米 TiO2多孔膜的制备 目前 , 制备纳米 TiO2 多孔膜的方法包括浸渍法，旋转法，丝网印刷，溅射法，高温溶胶喷射沉积等多种技术 ,其中应用最多的是丝网印刷。 丝网印刷适用于大规模制备太阳能电池的工艺。 丝网印刷技术是将纳米 TiO2 浆料均匀涂抹在导电玻璃上 ,经过高温烧结后 ,得到均匀的纳米多孔 TiO2薄膜 .丝网印刷中影响膜厚的技术参数包括丝网上感光胶的厚度，刮板的压力，速度，接触角度等 ,丝网上感光胶 的厚度越厚 ,印刷出来的膜厚越大 ,接触角度越小 ,速度就越慢 ,压出的浆料就越多。 为了使印刷的效果更好 ,要求 TiO2浆料具有很好的透过性能 ,而且流动性大 ,粘度低及附着性能好 .将溶胶凝胶法制得的湿态 TiO2,通过充分的脱水后 ,加入适量的高聚物 ,充分搅拌，研磨 ,可得到粘度适中的纳米 TiO2浆料。 枣庄职业学院毕业设计（论文） 13 电极的表面修饰 Lee 等发现 TiO2纳晶掺杂 Al 和 W 对光电性质有明显的影响 .掺杂 Al 的 TiO2可以增强开路电压 ,然而会适当降低短路电流 ,掺杂 W 则相反 ,Al和 W 的掺杂不仅能够改变TiO2颗粒的团聚状 态和染料的结合程度 ,而且能够改善电子的传输动力。 杨华等发现在 TiO2中掺杂 Fe3+,Mo5+,Ru5+等金属离子 ,不仅能影响电子 TiO2空穴的复合几率 ,还能使 TiO2 的吸收波长范围扩大到可见光区域 ,增加对太阳能的转换和利用。 尹剑波等发现用稀土铈对 TiO2进行掺杂 ,随稀土含量的增加 TiO2颗粒的介电常数和电导率均有所提高 ,材料的电流变性能也发生了很大的变化 ,远优于同条件下纯TiO2,温度效应明显优化 ,在 10— 100oC 均有较强的电流变活性 ,使用温度范围比纯TiO2 电流变液大幅度加宽 ,80oC 左右剪切应力达 到最大。 在多孔膜电极表面 ,由于有染料的存在 ,并且染料直接接触多孔膜电极表面 ,因而情况十分复杂 ,其中多孔膜表面最大的电荷复合来自 TiO2 表面电子与电解质 I3的复合。 为了抑制这一过程 ,常采用两种方法： 一．在制备好的二氧化钛多孔膜表面通过水解低浓度的 TiCl4 修饰一层细小的TiO2,细小的 TiO2 既可以增加薄膜中大粒径 ,孔径的连接 ,增加电子的传输 ,也可以对薄膜二氧化钛表面态进行修饰 ,降低电荷复合。 葛伟杰等发现多孔膜表面经 TiCl4 处理前后不仅开路电压增大了 25%以上 ,而 且短路光电流也提高了 30%以上。 二．在二氧化钛多孔膜表面修饰一层氧化物等物质进行表面阻隔 ,即在未被染料附着的多孔膜电极表面覆盖上适合的阻碍物质 ,通过在电极表面形成一个势垒降低电荷复合。 杨术明，黄春辉等人发现对二氧化钛纳米薄膜表面进行稀土离子 ,Sr2+离子修饰能有效地抑制电极表面的电荷复合 ,其中采用 Yb3+离子修饰 TiO2电极在 光照射下的光电转化效率比普通的 TiO2电极增大了 15%,在二氧化钛纳米粒子表面包覆一层氧化锌后与没有包覆的二氧化钛电极相比 ,短路光电流提高了 17%,开路电 压提高了 %,光电转化效率提高了 %. 枣庄职业学院毕业设计（论文） 14 Kumara 等人发现。