基于準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化太陽(yáng)能電池及光伏性能研究.pdf

1、隨著人類(lèi)社會(huì)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)能源燃料的消耗和需求急劇增加，由此引起的環(huán)境污染和傳統(tǒng)能源的日漸枯竭成為人類(lèi)必須面臨的難題。因此，開(kāi)發(fā)新型的可再生能源成為當(dāng)今能源產(chǎn)業(yè)的首要任務(wù)?？稍偕茉粗校?yáng)能具有清潔環(huán)保，無(wú)任何污染，取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化由于具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在綠色可再生能源的開(kāi)發(fā)中，受到了極大的矚目;太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要應(yīng)用方式就是太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)和利用。近些年來(lái)對(duì)第三代太陽(yáng)能電池—染料敏化太陽(yáng)能電池(D

2、SC)中的應(yīng)用研究吸引了全世界研究者的廣泛關(guān)注。典型的染料敏化太陽(yáng)能電池由光陽(yáng)極材料、染料敏化劑、電解液和光陰極材料四部分組成。然而傳統(tǒng)的DSC的電解質(zhì)都是液態(tài)的，液態(tài)電解質(zhì)由于易揮發(fā)、易泄露、易腐蝕電極，使得DSC的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得不到保障。此外，液態(tài)電解質(zhì)中有毒性的有機(jī)溶劑也是制約其商業(yè)化的因素。因此，要使DSC的實(shí)際應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，研發(fā)和利用離子遷移率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的準(zhǔn)固態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)成為重要的研究課題之一。本文圍繞鋅基和鈦基準(zhǔn)固態(tài)DSC

3、的構(gòu)建進(jìn)行研究，主要針對(duì)準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的制備、器件集成的工藝優(yōu)化、全面提高準(zhǔn)固態(tài)DSC中光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性等關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)了研究，具體研究進(jìn)展如下:
　　1.構(gòu)建了一種用聚苯乙烯(PS)作為凝膠劑的凝膠電解質(zhì)，通過(guò)調(diào)控電解質(zhì)中乙腈與戊腈的組成比來(lái)構(gòu)建準(zhǔn)固態(tài)ZnO-DSC。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溶劑中乙腈與戊腈的體積比為85∶15時(shí)，其光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了4.08％，這與同條件下的液態(tài)電解質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率(4.12％)相比基本上沒(méi)有衰減。此外，凝

4、膠態(tài)的DSC在室內(nèi)和戶(hù)外20天的測(cè)試下光電轉(zhuǎn)化效率僅僅衰減了7％和12％，但是同條件下的液態(tài)電解質(zhì)的太陽(yáng)能電池衰減達(dá)到了27％和37％。結(jié)果表明:相比于液態(tài)電解質(zhì)，構(gòu)建的鋅基凝膠DSC不僅保持了液態(tài)電解質(zhì)器件的轉(zhuǎn)化效率，而且提高了器件的穩(wěn)定性，這對(duì)太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
　　2.合成了一種石墨烯和聚苯乙烯微球復(fù)合的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，并將其成功地應(yīng)用到ZnO-DSC中。研究發(fā)現(xiàn):1）當(dāng)石墨烯的摻雜量為12mg/mL時(shí)，

5、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率由32.8 mS/cm提高到39.8 mS/cm;2）光電性能測(cè)試顯示，準(zhǔn)固態(tài)DSC的短路電流由13.86 mA/cm2提高到18.86mA/cm2，光電轉(zhuǎn)化效率由4.09％提高到5.08％;電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果表明:石墨烯的加入增強(qiáng)了電子在DSC中的傳輸，降低了電子的傳輸阻抗;3）將最優(yōu)石墨烯摻雜量的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)組裝電池，測(cè)試其穩(wěn)定性，結(jié)果表明:石墨烯和聚苯乙烯構(gòu)建的ZnO基準(zhǔn)固態(tài)DSC在1000 h的戶(hù)外測(cè)試后，仍

6、然能夠保持其初始效率的90％。這表明石墨烯復(fù)合電解質(zhì)的DSC展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性，為準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)DSC的實(shí)際應(yīng)用提供了可能。
　　3.構(gòu)建了一種金修飾的TiO2光陽(yáng)極，通過(guò)簡(jiǎn)單的自組裝方法，制備了一種金納米顆粒與TiO2的復(fù)合光陽(yáng)極。TEM表征顯示，金納米顆粒的大小約為6 nm;紫外吸收光譜顯示，相比于純的TiO2，Au/TiO2復(fù)合光陽(yáng)極在520-600 nm范圍內(nèi)的光吸收明顯增強(qiáng);光電性能表征顯示:在最優(yōu)的自組裝前驅(qū)體HAuCl

7、4·3H2O濃度（80μg/mL）下，相比于純TiO2，Au/TiO2復(fù)合光陽(yáng)極DSC的短路電流密度提高了14％，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了10.02％;同時(shí)將復(fù)合光陽(yáng)極應(yīng)用到聚氧化乙烯(PEO)為凝膠劑的準(zhǔn)固態(tài)DSC中進(jìn)行了初步的探索，結(jié)果表明，其轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了8.12％，相比于純TiO2的準(zhǔn)固態(tài)DSC，效率提高了6％。以上結(jié)果表明，金納米顆粒在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的等離子效應(yīng)，使得復(fù)合光陽(yáng)極膜在520-600 nm的光吸收增強(qiáng)，對(duì)DSC轉(zhuǎn)化效率有了