單基板全固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池性能優(yōu)化.pdf

1、染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池(DSSC)是20世紀(jì)90年代研發(fā)出來(lái)的一種新概念太陽(yáng)能電池,由于其主要原材料成本低廉,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,因此受到科研人員和投資者的廣泛關(guān)注。依據(jù)電解質(zhì)的不同,DSSC主要分為液態(tài)DSSC和全固態(tài)DSSC。其中液態(tài)DSSC存在液態(tài)電解質(zhì)揮發(fā)以及泄漏等問(wèn)題,阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。而全固態(tài)DSSC主要采用空穴傳輸材料替代液態(tài)電解質(zhì)。相對(duì)于液態(tài)DSSC,全固態(tài)DSSC避免了電解質(zhì)揮發(fā)或泄漏等問(wèn)題。同時(shí),全固態(tài)DSSC主要采用

2、的是單基板結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是將光陽(yáng)極和對(duì)電極集成在單一導(dǎo)電襯底上,從而進(jìn)一步降低了器件成本。因此單基板全固態(tài)DSSC比液態(tài)DSSC更具有應(yīng)用前景。
　　單基板全固態(tài)DSSC主要由光陽(yáng)極、空穴傳輸材料和對(duì)電極組成。單基板全固態(tài)DSSC目前存在的主要問(wèn)題為工藝復(fù)雜和效率低。傳統(tǒng)的單基板全固態(tài)DSSC中工藝最復(fù)雜的部分為對(duì)電極的制備:高真空條件下于空穴傳輸材料層上熱蒸鍍一層金屬(Au或Ag)。目前,對(duì)于單基板全固態(tài)DSSC中對(duì)電極的研究很少

3、,有待開(kāi)發(fā)新的對(duì)電極材料和工藝。此外,染料、空穴傳輸材料和光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)也是單基板全固態(tài)DSSC中有待改進(jìn)的方面。
　　基于單基板全固態(tài)DSSC中存在的問(wèn)題,本論文以可印刷的碳材料作為對(duì)電極替代了傳統(tǒng)的蒸鍍金屬電極,研究了碳對(duì)電極結(jié)構(gòu)對(duì)基于聚3-己基噻吩(P3HT)的單基板全固態(tài)DSSC性能的影響。同時(shí),對(duì)于空穴傳輸材料P3HT,本文采用近紅外吸收的染料SQ2來(lái)研究電池的單色光量子效率。對(duì)于空穴傳輸材料spiro-OMeTAD,本文研

4、究了光摻雜對(duì)電池性能的影響。此外,本文還研究了光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)單基板全固態(tài)DSSC性能的影響。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　首先,針對(duì)單基板全固態(tài)DSSC中對(duì)電極工藝復(fù)雜的問(wèn)題,以石墨和炭黑復(fù)合材料作為對(duì)電極并采用簡(jiǎn)單的絲網(wǎng)印刷法制備了基于P3HT的單基板全固態(tài)DSSC。討論了對(duì)電極結(jié)構(gòu)以及絕緣層和光陽(yáng)極厚度對(duì)電池性能的影響。通過(guò)優(yōu)化,在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光(AM1.5100mWcm-2)下獲得了3.11％的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　其次,針

5、對(duì)P3HT與D102染料吸收重疊的問(wèn)題,采用近紅外吸收的方酸染料SQ2作為敏化劑制備了基于P3HT的單基板全固態(tài)DSSC,并研究了SQ2的分子結(jié)構(gòu)以及LiTFSI處理對(duì)電池性能的影響。通過(guò)優(yōu)化,基于SQ2與P3HT的單基板全固態(tài)DSSC獲得了2.2%的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　再次,采用spiro-OMeTAD作為空穴傳輸材料制備了基于介孔碳對(duì)電極的單基板全固態(tài)DSSC。研究了光摻雜程度對(duì)器件性能的影響。進(jìn)一步分析了光摻雜對(duì)TiO2/s

6、piro-OMeTAD界面電子復(fù)合和spiro-OMeTAD/C界面電子傳輸?shù)挠绊?。通過(guò)優(yōu)化光摻雜對(duì)spiro-OMeTAD的氧化程度,基于spiro-OMeTAD的單基板全固態(tài)DSSC獲得了4.04%的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　最后,針對(duì)傳統(tǒng)光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)光的利用率低的問(wèn)題,采用TiO2介孔球作為光陽(yáng)極制備了基于spiro-OMeTAD的單基板全固態(tài)DSSC并獲得了4.0%的光電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)比了TiCl4處理對(duì)于TiO2介孔球光陽(yáng)極與T