新型構(gòu)造的染料敏化太陽電池及光電致變色器件的研究.pdf

1、近年來發(fā)展的以多孔納米晶為特征的染料敏化太陽電池由于其簡(jiǎn)單的制作工藝和極其低廉的成本和較高的光電轉(zhuǎn)換效率而成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。短期內(nèi)不能產(chǎn)業(yè)化的其中一個(gè)原因是效率還較低，同時(shí)由于采用液態(tài)電解質(zhì)存在密封問題，需進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。在低效率電池市場(chǎng)中，無法與已經(jīng)發(fā)展成熟的非晶硅和CIGS太陽電池競(jìng)爭(zhēng)，因此找到它在低效率電池市場(chǎng)中的位置，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)是其是否能產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。光電致變色器件巧妙地結(jié)合了染料敏化太陽電池與電致變色的優(yōu)點(diǎn)，既能用電致變色

2、節(jié)能，又能解決電致變色的電源和安裝成本問題，是染料敏化太陽電池進(jìn)入市場(chǎng)的一個(gè)較好的切入點(diǎn)。 本文在研究染料敏化太陽電池制備工藝的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地研究了幾種新型結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽電池和光電致變色器件。 本文選擇了發(fā)展比較成熟的水熱法(200℃和230℃)和商業(yè)P25納米TiO2粉不同工藝制備的染料敏化太陽電池進(jìn)行了比較研究，并從TiO2顆粒大小、孔徑、晶型和光學(xué)特性等方面分析了不同工藝對(duì)制備的電池性能的影響。 針對(duì)

3、染料敏化太陽電池在長(zhǎng)波范圍吸光能力差的缺點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了一種新的可二次利用太陽光的染料敏化太陽電池的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，通過在鍍鉑的導(dǎo)電玻璃背面附上一層銀反光膜后，可以將從光陽極透過的沒有被充分利用的光通過銀反光膜再次反射回光陽極，達(dá)到二次利用光的目的，從而提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。并對(duì)不同膜厚、不同工藝制備的電池的光學(xué)性質(zhì)和效率進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：傳統(tǒng)的染料敏化太陽電池都有相當(dāng)一部分光透過電池沒有充分利用，通過二次利用光的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，不同膜

4、厚、不同工藝制備的電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率都有明顯提高。以水熱法制備的7μm和15μm膜厚的電池，改進(jìn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電池效率分別提高了41.74％和22％。用P25納米TiO2粉制備的14μm膜厚電池，改進(jìn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電池效率提高了11.4％。同時(shí)這種新的二次利用光的染料敏化太陽電池改進(jìn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它文獻(xiàn)已提出的增加電池光譜吸收的改進(jìn)結(jié)構(gòu)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：明顯提高電池效率的同時(shí)，制備工藝更為簡(jiǎn)單和成本相對(duì)低。 由

5、于一天中太陽方位角和高度角不斷地變化，使傳統(tǒng)平面太陽電池在接收陽光時(shí)存在"cosine"能量損失。本論文原創(chuàng)性地發(fā)明了一種螺旋絲狀集成的立體吸光太陽電池，在太陽模擬器和自然光下考察了它的性能。與傳統(tǒng)的平面太陽電池相比，在自然光下立體吸光電池表現(xiàn)出與松樹針葉吸收陽光類似的特點(diǎn)：由于螺旋絲狀的光陽極可以從空間各個(gè)方向吸光，具有被動(dòng)式跟蹤太陽光的優(yōu)點(diǎn)，提高了太陽電池在一天中特別是上午和下午時(shí)的發(fā)電量；立體吸光電池對(duì)太陽方位角和遮陰不敏感；增大

6、了吸收太陽散射光和周圍環(huán)境反射光的面積；在相同的安裝底面積上，通過螺旋絲狀光陽極伸向空間增加對(duì)空間的有效吸光面積，從而提高了單位底面積上太陽電池的輸出功率。與平面結(jié)構(gòu)的太陽電池相比，解決了在接收陽光時(shí)的"cosine"能量損失問題。與傳統(tǒng)的液態(tài)染料敏化太陽電池相比，在封裝工藝上更具優(yōu)勢(shì)。在模擬器和自然光下測(cè)得的效率分別是3.36％和4.13％，并與目前正為解決封裝問題的固態(tài)染料敏化太陽電池具有較接近的效率。 根據(jù)立體吸光電池與松

7、樹針葉利用陽光類似的特點(diǎn)，利用仿生學(xué)原理和分形理論，首次提出了將立體吸光電池的組件模仿自然界中松樹的結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，形成立體空間吸光結(jié)構(gòu)，增加對(duì)空間吸光面積，并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：一天中不同時(shí)刻遮陰后的立體吸光電池的組件相對(duì)于沒有遮陰時(shí)犧牲的效率在10％到21％之間變化，說明以一定規(guī)律排列的立體吸光電池組件可以象自然界中的植物一樣，在犧牲少量效率的情況下，形成立體空間吸光結(jié)構(gòu)，達(dá)到對(duì)太陽能更合理的利用，從而解決太陽輻射能流密度低的缺

8、點(diǎn)和太陽電池的占地面積問題。 在研究絲狀光陽極制備染料敏化太陽電池的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種新的絲狀光陽極集成的光電致變色器件。通過研究器件在著色態(tài)和褪色態(tài)的透過光譜，結(jié)果表明：以兩根鈦絲制備的光陽極為電致變色供電的光電致變色器件，褪色態(tài)平均透過率是68.0％(400-1100nm)，著色態(tài)平均透過率是26.1％(400-1100nm)。與傳統(tǒng)的光電致變色器件相比，新的光電致變色器結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)范圍應(yīng)—步拓寬，解決了傳統(tǒng)的光電致變色器