染料敏化電池光陽(yáng)極制備及器件的性能研究.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是一種新型的薄膜電池,以其成低廉、工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國(guó)研究者的廣泛關(guān)注。染料敏化太陽(yáng)能電池由四部分組成，它們分別是光陽(yáng)極、染料、電解液和對(duì)電極。其中，光陽(yáng)極的形貌和結(jié)構(gòu)對(duì)DSSC的器件性能起主要作用，光陽(yáng)極薄膜中的晶體粒徑，孔徑以及孔隙率直接影響器件的短路電流、光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)，因而會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生顯著影響。目前，多孔性的納米晶電極薄膜因具有大的比表面積、良好的電解液滲透性而成為DSSC

2、的研究重點(diǎn)。與傳統(tǒng)的多孔納米晶電極薄膜比較，零維球狀結(jié)構(gòu)的電極薄膜因?yàn)榭梢晕礁嗟娜玖?。且球體之間距離更適合電解液的滲透等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是一種新型結(jié)構(gòu)的高效光陽(yáng)極。
　　本文主要研究了以商用TiO2粉末P25粉（德國(guó)、Degussa）為原料制備納米多孔光陽(yáng)極薄膜的傳統(tǒng)方法；使用靜電噴霧法（ES）制備零維光陽(yáng)極薄膜的方法、理論、工藝以及使用靜電噴霧法制備對(duì)電極的研究。并且對(duì)于在對(duì)電極上制備了增強(qiáng)其反光性能的鋁膜以提高入射光的吸收效率

3、，從而提高了器件的轉(zhuǎn)換效率，具體的研究?jī)?nèi)容如下：
　　1、詳細(xì)研究了使用刮涂、旋涂、絲網(wǎng)印刷、低溫水熱分解等傳統(tǒng)的方法制備納米晶體多孔電極方法及工藝過(guò)程；研究了制備納米晶電極的不同漿料配方對(duì)DSSC光陽(yáng)極薄膜的制備過(guò)程及器件性能的影響；對(duì)在制備多孔納米晶電極過(guò)程中控制薄膜厚度、控制薄膜密度、低溫制備光陽(yáng)極薄膜、提高制備漿料效率以及通過(guò)對(duì)光陽(yáng)極薄膜進(jìn)行處理以提高器件效率等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究。并對(duì)這些方法進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了上述方

4、法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。
　　2、為了克服傳統(tǒng)制備方法的不足，將ES引入DSSC光陽(yáng)極薄膜的制備過(guò)程，并以乙醇為分散劑，使用ES方法在不同濃度下制備了TiO2光陽(yáng)極，詳細(xì)研究了在ES過(guò)程中隨電壓變化液滴所呈現(xiàn)的不同形狀。探索了在“cone-jet”模式下使用乙醇為分散液制備光陽(yáng)極的懸濁液配方、工藝參數(shù)；研究了在乙醇懸濁液中加入造孔劑對(duì)器件性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用乙醇作為分散劑的ES過(guò)程中，當(dāng)懸濁液濃度較低時(shí)，

5、制備的電極薄膜結(jié)構(gòu)為多孔的納米晶結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)方法制備陽(yáng)極形貌相比，不具備顯著的優(yōu)勢(shì)。且制備光陽(yáng)極薄膜需要時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。使用較高時(shí)濃度懸濁液（2.5％，7.5%和10%）時(shí)，制備的光陽(yáng)極薄膜主要由零維的球狀顆粒組成，但是此時(shí)DSSC器件效率低于低濃度時(shí)。上述結(jié)果產(chǎn)生的原因是高濃度條件下ES所得球狀顆粒電極雖然可以吸收更多的染料，但由于各個(gè)球狀顆粒之間距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致電子在電極中傳輸性能較差。因此，在ES過(guò)程中，乙醇并不

6、是理想的分散液。
　　3、探討了在ES過(guò)程中，使用乙醇、乙二醇和丙三醇等分子中含有不同羥基數(shù)目的分散液對(duì)ES過(guò)程、光陽(yáng)極形貌及DSSC器件性能的影響；研究了使用不同濃度的乙二醇、丙三醇ES光陽(yáng)極的方法及過(guò)程；分析了三者的物理、化學(xué)性質(zhì)對(duì)ES懸濁液穩(wěn)定性的影響及其原因；比較了使用乙醇、乙二醇和丙三醇作為分散液ES電極的不同的電極形貌以及器件性能，說(shuō)明了乙二醇、丙三醇等含有多個(gè)羥基的分散液在靜電噴霧方法中的優(yōu)點(diǎn)。
　　4、研究了

7、使用丙三醇作為分散液ES零維球狀光陽(yáng)極的過(guò)程，結(jié)果表明，由于丙三醇的粘度較大，其在作為懸濁液ES光陽(yáng)極薄膜時(shí)，會(huì)引起“cone-jet”狀態(tài)的不穩(wěn)定；同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)，由于丙三醇具有較小的電導(dǎo)率，因而在ES過(guò)程中導(dǎo)致液滴中的丙三醇在到達(dá)基板之前不能及時(shí)被蒸發(fā)掉，從而會(huì)導(dǎo)致器件制備過(guò)程失敗。在上述研究結(jié)果基礎(chǔ)上，我們著重研究了使用乙二醇作為分散液的ES過(guò)程，對(duì)該過(guò)程的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；為了及時(shí)地將液滴中的分散液蒸發(fā)掉，我們將熱板引入到光陽(yáng)

8、極的制備過(guò)程中，并詳細(xì)研究了熱板溫度對(duì)光陽(yáng)極的形貌、電子傳輸性能以及DSSC器件性能的影響，研究結(jié)果表明，當(dāng)熱板溫度在150℃時(shí)，ES的陽(yáng)極薄膜中的球狀顆粒為實(shí)心球體，且個(gè)個(gè)球體之間連接緊密，當(dāng)熱板溫度升高至250℃時(shí)，基板上形成的球狀顆粒為空心球殼結(jié)構(gòu)，球體之間的連接基本為“點(diǎn)接觸”形式。通過(guò)比較器件性能以及器件中電子遷移率我們得出結(jié)論，電子在150℃制備的實(shí)心球體中傳輸效率較高，因而具有較高的器件效率；使用乙二醇為分散液制備了效率為

9、6.81%的DSSC
　　5、研究了使用靜電噴霧方法制備染料敏化電池鉑對(duì)電極的方法，考慮到鐵離子會(huì)引起鉑電極中毒，我們改造了電噴霧的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使用石墨棒代替了ES設(shè)備中的不銹鋼噴嘴。使用ES方法制備了對(duì)電極，器件結(jié)果顯示，用ES方法制備的對(duì)電極在性能上與其它方法基本相同，但是，ES方法制備對(duì)電極會(huì)更加節(jié)省材料；在對(duì)電極的表面上制備反射膜會(huì)對(duì)進(jìn)入器件內(nèi)部的光線進(jìn)行反射，從而增加了入射光在器件中的光程，因此，可以提高器件的短路電流和轉(zhuǎn)