單基板全固態(tài)染料敏化太陽能電池性能優(yōu)化.pdf

1、染料敏化納米晶太陽能電池(DSSC)是20世紀90年代研發(fā)出來的一種新概念太陽能電池,由于其主要原材料成本低廉,生產工藝簡單,因此受到科研人員和投資者的廣泛關注。依據電解質的不同,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)電解質揮發(fā)以及泄漏等問題,阻礙了其大規(guī)模應用。而全固態(tài)DSSC主要采用空穴傳輸材料替代液態(tài)電解質。相對于液態(tài)DSSC,全固態(tài)DSSC避免了電解質揮發(fā)或泄漏等問題。同時,全固態(tài)DSSC主要采用

2、的是單基板結構,該結構是將光陽極和對電極集成在單一導電襯底上,從而進一步降低了器件成本。因此單基板全固態(tài)DSSC比液態(tài)DSSC更具有應用前景。
　　單基板全固態(tài)DSSC主要由光陽極、空穴傳輸材料和對電極組成。單基板全固態(tài)DSSC目前存在的主要問題為工藝復雜和效率低。傳統(tǒng)的單基板全固態(tài)DSSC中工藝最復雜的部分為對電極的制備: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,對于單基板全固態(tài)DSSC中對電極的研究很少

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

4、究了光摻雜對電池性能的影響。此外,本文還研究了光陽極結構對單基板全固態(tài)DSSC性能的影響。本論文的主要內容如下:
　　首先,針對單基板全固態(tài)DSSC中對電極工藝復雜的問題,以石墨和炭黑復合材料作為對電極并采用簡單的絲網印刷法制備了基于P3HT的單基板全固態(tài)DSSC。討論了對電極結構以及絕緣層和光陽極厚度對電池性能的影響。通過優(yōu)化,在一個標準太陽光(AM1.5100mWcm-2)下獲得了3.11％的光電轉換效率。
　　其次,針

5、對P3HT與D102染料吸收重疊的問題,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的分子結構以及LiTFSI處理對電池性能的影響。通過優(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電極的單基板全固態(tài)DSSC。研究了光摻雜程度對器件性能的影響。進一步分析了光摻雜對TiO2/s

6、piro-OMeTAD界面電子復合和spiro-OMeTAD/C界面電子傳輸?shù)挠绊?。通過優(yōu)化光摻雜對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%的光電轉換效率。
　　最后,針對傳統(tǒng)光陽極結構對光的利用率低的問題,采用TiO2介孔球作為光陽極制備了基于spiro-OMeTAD的單基板全固態(tài)DSSC并獲得了4.0%的光電轉換效率。對比了TiCl4處理對于TiO2介孔球光陽極與T