基于准固态电解质的染料敏化太阳能电池及光伏性能研究

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yjddstevens
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随着人类社会的飞速发展,传统能源燃料的消耗和需求急剧增加,由此引起的环境污染和传统能源的日渐枯竭成为人类必须面临的难题。因此,开发新型的可再生能源成为当今能源产业的首要任务。可再生能源中,太阳能具有清洁环保,无任何污染,取之不尽、用之不竭等优点。太阳能光电转化由于具有诸多的优点,近年来在绿色可再生能源的开发中,受到了极大的瞩目;太阳能光电转化的一个重要应用方式就是太阳能电池的开发和利用。近些年来对第三代太阳能电池—染料敏化太阳能电池(DSC)中的应用研究吸引了全世界研究者的广泛关注。典型的染料敏化太阳能电池由光阳极材料、染料敏化剂、电解液和光阴极材料四部分组成。然而传统的DSC的电解质都是液态的,液态电解质由于易挥发、易泄露、易腐蚀电极,使得DSC的长期稳定性得不到保障。此外,液态电解质中有毒性的有机溶剂也是制约其商业化的因素。因此,要使DSC的实际应用得以实现,研发和利用离子迁移率高、稳定性强的准固态或固态电解质成为重要的研究课题之一。本文围绕锌基和钛基准固态DSC的构建进行研究,主要针对准固态电解质的制备、器件集成的工艺优化、全面提高准固态DSC中光电转化效率和稳定性等关键问题展开了研究,具体研究进展如下:1.构建了一种用聚苯乙烯(PS)作为凝胶剂的凝胶电解质,通过调控电解质中乙腈与戊腈的组成比来构建准固态ZnO-DSC。实验结果显示,当溶剂中乙腈与戊腈的体积比为85:15时,其光电转化效率达到了4.08%,这与同条件下的液态电解质的转化效率(4.12%)相比基本上没有衰减。此外,凝胶态的DSC在室内和户外20天的测试下光电转化效率仅仅衰减了7%和12%,但是同条件下的液态电解质的太阳能电池衰减达到了27%和37%。结果表明:相比于液态电解质,构建的锌基凝胶DSC不仅保持了液态电解质器件的转化效率,而且提高了器件的稳定性,这对太阳能电池的实际应用具有一定的指导意义。2.合成了一种石墨烯和聚苯乙烯微球复合的准固态电解质,并将其成功地应用到ZnO-DSC中。研究发现:1)当石墨烯的掺杂量为12mg/mL时,准固态电解质的电导率由32.8 mS/cm提高到39.8mS/cm; 2)光电性能测试显示,准固态DSC的短路电流由13.86 mA/cm2提高到18.86mA/cm2,光电转化效率由4.09%提高到5.08%;电化学阻抗测试结果表明:石墨烯的加入增强了电子在DSC中的传输,降低了电子的传输阻抗;3)将最优石墨烯掺杂量的准固态电解质组装电池,测试其稳定性,结果表明:石墨烯和聚苯乙烯构建的ZnO基准固态DSC在1000 h的户外测试后,仍然能够保持其初始效率的90%。这表明石墨烯复合电解质的DSC展现了良好的稳定性,为准固态电解质DSC的实际应用提供了可能。3.构建了一种金修饰的TiO2光阳极,通过简单的自组装方法,制备了一种金纳米颗粒与TiO2的复合光阳极。TEM表征显示,金纳米颗粒的大小约为6 nm;紫外吸收光谱显示,相比于纯的TiO2, Au/TiO2复合光阳极在520-600 nm范围内的光吸收明显增强;光电性能表征显示:在最优的自组装前驱体HAuCl4-3H2O浓度(80μg/mL)下,相比于纯TiO2,Au/TiO2复合光阳极DSC的短路电流密度提高了14%,光电转化效率达到了10.02%;同时将复合光阳极应用到聚氧化乙烯(PEO)为凝胶剂的准固态DSC中进行了初步的探索,结果表明,其转化效率达到了8.12%,相比于纯Ti02的准固态DSC,效率提高了6%。以上结果表明,金纳米颗粒在可见光范围内的等离子效应,使得复合光阳极膜在520-600 nm的光吸收增强,对DSC转化效率有了较大的提高;将复合光阳极应用到准固态的DSC中,展现了良好的效果,这为提高准固态DSC的效率提供了另一条有效的途径。
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