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《长沙理工大学》 2010年
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染料敏化太阳能电池电极改性研究

石德晖  
【摘要】: 染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell,简称DSSC)由瑞士洛桑高等理工学院Gretzel教授于1991年率先制备,立即受到国际上广泛的关注和重视。之后各国科研人员对其进行大量的研究并取得了一定的进展,但仍存在许多尚需解决的问题,如其核心部件TiO_2纳米晶膜的光电转换性能有待提高、染料急需低成本化、开发高效电解质与固态电解质、如何实现电池大面积化以及电池结构的优化等。 本文采用改进的溶胶-凝胶制备工艺以及利用聚苯乙烯作为造孔剂制备Gd、N共掺杂多孔TiO_2纳米薄膜,分析了薄膜中孔隙、粒径大小等对薄膜性能的影响;根据第一原理研究轨道有序态及其对光电性能的影响,定性和定量分析TiO_2的能带变化与掺杂Gd/N等物质的关系。研究结果表明: 溶胶-凝胶法所得薄膜在500℃温度下煅烧得到的TiO_2为锐钛矿晶型,颗粒的大小约为20nm。膜的表面出现较多的孔隙,没有团聚和裂痕。以此薄膜组装了DSSC,通过对其电池的I-V测试,TiO_2薄膜厚度约10μm时,其光电池的性能最好,其开路电压为0.382v,短路电流为0.332mA。TiO_2结构的多孔隙性保证了较多染料的吸附,进而增强了捕获太阳光的能力,薄膜的合适的厚度有利于使染料分子及电解质充分地吸附到纳米TiO_2中,有利于载流子的传输和转移,抑制复合与暗电流。 以聚苯乙烯(PS)微球为造孔剂,结合溶胶-凝胶法制备了具有良好光电性能的锐钛矿多孔TiO_2薄膜电极。其中PS微球乳液为7%时,TiO_2薄膜电极表面分布着较多孔径均匀的圆形小孔,其光电转换效率效果最优,短路电流Isc为0.4979mA/cm~2,开路电压Voc为0.6696V,填充因子FF为38.15%,比没有造孔剂时效果有大幅提高。而通过Gd、N共掺杂制备的多孔电极最好的效果,在掺杂Gd为0.5%,掺杂N为0.3%。时候,效果达到最好,其开路电压为0.649v。短路电流为0.713mA/cm~2, 相对没有掺杂的多孔膜电极其效率提高51.47%。采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了锐钛矿相及Gd、N共掺杂TiO_2的基态几何、电子结构,计算得到TiO_2的晶格常数与实验结果的偏差很小;掺杂能级的形成主要是掺杂Gd、N的4f轨道的贡献。掺杂Gd\N后,不仅使TiO_2的吸收带产生红移,且增强了TiO_2在紫外区的光吸收,因此Gd\N型的共掺杂能使TiO_2的禁带变窄,光电性能得到提高。
【学位授予单位】:长沙理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK514

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【引证文献】
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