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1、文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .太陽能光電工程學(xué)院太陽能光伏發(fā)電技術(shù) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目:染料敏化太陽能電池中聚合物電解質(zhì)的優(yōu)化姓名:白文周專業(yè):光伏材料加工與應(yīng)用技術(shù)班級(jí):09 級(jí)光伏材料助考班準(zhǔn)考證號(hào):0設(shè)計(jì)成績(jī):指導(dǎo)教師:摘要本設(shè)計(jì)闡述了用納晶TiO2及離子液體1- 甲基 -3- 丙基咪唑碘鹽兩種功能添加劑對(duì)PEO 聚合物準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化,提高了電池的光電性能.用(PEO)8:LSI :TiO2:IE :I2= 3:3:3:7:1( 摩爾比 ) 的電解質(zhì)組裝電池 ,在 100MW/cm2光強(qiáng)下電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.2%, 與無功能添加劑的
2、電解質(zhì)相比,光電轉(zhuǎn)換效率提高 8 倍. 電解質(zhì)體系的電導(dǎo)率研究表明 , 電池光電性能的提高與體系電導(dǎo)率的增大密切相關(guān) .關(guān)鍵詞:染料敏化太陽能電池聚合物電解質(zhì)TiO2 納晶顆粒離子液體電導(dǎo)率0文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .目錄緒 言.錯(cuò)誤! 未定義書簽。1染料敏化太陽能電池( DSSC) .錯(cuò)誤! 未定義書簽。1.1 染料敏化太陽能電池組成部分.錯(cuò)誤! 未定義書簽。2 實(shí)驗(yàn) .錯(cuò)誤! 未定義書簽。2.1染料敏化 TiO2 納晶多孔薄膜電極及載鉑對(duì)電極的制備. 錯(cuò)誤 ! 未定
3、義書簽。2.2聚合物電解質(zhì)的制備 .錯(cuò)誤! 未定義書簽。2.3準(zhǔn)固態(tài)染料敏化 TiO2 納晶電池的制備 .錯(cuò)誤! 未定義書簽。2.4測(cè)量 .錯(cuò)誤! 未定義書簽。3結(jié)構(gòu)與討論 .錯(cuò)誤! 未定義書簽。3.1聚合物 PEO 電解質(zhì)體系的電導(dǎo)率 .錯(cuò)誤! 未定義書簽。3.2納晶 TiO2 添加劑對(duì)電解質(zhì)電導(dǎo)率及電池光電性能的優(yōu)化錯(cuò) 誤 !未定義書簽。3.3離子液體添加劑對(duì) PEO/TiO2 電解質(zhì)電導(dǎo)率及電池光電性能的優(yōu)化.錯(cuò)誤! 未定義書簽。4展望 .錯(cuò)誤! 未定義書簽。參考文獻(xiàn).錯(cuò)誤! 未定義書簽。緒 言自 20世紀(jì) 90 年代起 ,染料敏化納晶TiO2 太陽能電池一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱門課題 14
4、. 近年來液態(tài)染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到7% 12%,但由于液態(tài)電池的氧化還原電解質(zhì)采用液態(tài)有機(jī)小分子化合物溶劑,其1文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .沸點(diǎn)低 ,易揮發(fā) , 流動(dòng)性大 , 給電池的密封和長(zhǎng)期使用帶來困難, 采用聚合物電解質(zhì)替換液態(tài)電解質(zhì)組裝成固態(tài)染料敏化太陽能電池, 電池穩(wěn)定性得到很大提高.但由于電解質(zhì)電導(dǎo)率低、 與電極界面浸潤(rùn)差等因素造成固態(tài)電池的光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)不及液態(tài)電池 .Kaross 等 5,6 在聚環(huán)氧乙烷 (PEO)電解質(zhì)中加入納晶 TiO
5、2 作為增塑劑 , 降低了 PEO 的結(jié)晶度 , 電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 4.2%( 光強(qiáng) 65.6 MW/cm2). 離子液體具有導(dǎo)電力強(qiáng)、沸點(diǎn)高、不易揮發(fā)、物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、電化學(xué)窗口寬等優(yōu)點(diǎn) , 將離子液體作為電解質(zhì)應(yīng)用于染料敏化太陽能電池711,克服了液態(tài)電解質(zhì)易揮發(fā)的缺點(diǎn) . Grat zel 等將離子液體用作染料敏化太陽能電池的電解質(zhì) , 光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 7%(光強(qiáng) 100 MW/cm2), 但其電解質(zhì)的流動(dòng)性很大 , 近乎流體 , 不利于電池的密封 . 聚合物 PEO 是一種常見的高分子材料 , 常被用于固體電解質(zhì)體系 ; 但室溫下 PEO 結(jié)晶度高 , 離子輸運(yùn)速度慢 ,
6、組裝成電池的光電轉(zhuǎn)換效率低 . 本文報(bào)道用無機(jī)納晶 TiO2 和具有咪唑碘鹽的離子液體作為功能添加劑 ,對(duì)含有I-/I-3的 PEO 電解質(zhì)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化 ,改善了染料敏化太陽能電池的光電性能.1 染料敏化太陽能電池( DSSC )染料敏化太陽能電池具有類似三明治的結(jié)構(gòu), 將納米二氧化鈦燒結(jié)在導(dǎo)電玻璃上,再將光敏染料鑲嵌在多孔納米二氧化鈦表面形成工作電極, 在工作電極和對(duì)電極(通常為擔(dān)載了催化量鉑或者碳的導(dǎo)電玻璃) 之間是含有氧化還原物質(zhì)對(duì) ( 常用 I 2 和 I - ) 的液體電解質(zhì),它浸入納米二氧化鈦的孔穴與光敏染料接觸。在入射光的照射下, 鑲嵌在納米二氧化鈦表面的光敏染料吸收光子, 躍遷
7、到激發(fā)態(tài),然后向二氧化鈦的導(dǎo)帶注入電子, 染料成為氧化態(tài)的正離子, 電子通過外電路形成電流到對(duì)電極, 染料正離子接受電解質(zhì)溶液中還原劑的電子, 還原為最初染料,而電解質(zhì)中的氧化劑擴(kuò)散到對(duì)電極得到電子而使還原劑得到再生, 形成一個(gè)完整的循環(huán), 在整個(gè)過程中, 表觀上化學(xué)物質(zhì)沒有發(fā)生變化, 而光能轉(zhuǎn)化成了電能與光合作用中心葉綠體結(jié)構(gòu)相比, 染料敏化太陽能電池具有類似的結(jié)構(gòu)。 它的納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于葉綠體中的類囊體,起著支撐染料敏化劑分子、增加吸收太陽光的面積和傳遞電子的作用; 染料敏化劑分子則相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素,起著吸收太陽光光子的作用。 和光合作用一樣, 基于納米晶電極的太陽2文檔來
8、源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .能電池構(gòu)成了由太陽光驅(qū)動(dòng)的分子電子泵。 模擬植物光合作用原理制造太陽能電池一直是人類的一個(gè)夢(mèng)想, 經(jīng)過近二十年的發(fā)展, 這一夢(mèng)想越來越接近于實(shí)現(xiàn)并造福人類社會(huì)1.1 染料敏化太陽能電池組成部分染料敏化太陽能電池是由敏化劑、對(duì)電極、電解質(zhì)、 TiO2 光陽極,這幾種成分組成染料分子的作用就是吸收太陽光,將基態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài), 然后再轉(zhuǎn)移到外電路,它的性能是決定電池轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一 。在染料敏化太陽能電池的發(fā)展中,釕的配合物一直起著重要的作用,
9、所以將染料敏化劑分為多吡啶配合物敏化劑、有機(jī)染料敏化劑和窄帶隙半導(dǎo)體敏化劑三類。在染料敏化太陽能電池中起著傳輸電子和再生染料的作用。對(duì)納晶染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)而言,首先要求具有合適的與染料相匹配的氧化還原能級(jí),其次電解質(zhì)中離子輸運(yùn)要快。目前,最常用的電解液是將I-/I3溶解在有機(jī)溶劑中。對(duì)電極作為完整的電流回路,必須有一個(gè)對(duì)電極還原I3- 離子,從而實(shí)現(xiàn)電子在回路的傳導(dǎo),該反應(yīng)越快, 光電響應(yīng)越快。 目前采用的對(duì)電極主要有載鉑的導(dǎo)電玻璃和碳材料。光陽極它是制備在導(dǎo)電玻璃上的納米晶半導(dǎo)體薄膜,是DSSC的關(guān)鍵部分。目前研究的電極材料只要有TiO2,Zn O,SnO2 等,其中 TiO2 作
10、為光陽極研究最為廣泛。多孔的納米晶TiO2 電極結(jié)構(gòu)極大的提高電極的染料吸附量,同時(shí)增加光線在薄膜電極中的散射性能,提高光的吸收效率, 同時(shí)溶液滲透性能好,幾乎每個(gè)納米顆粒都與電解質(zhì)接觸, 這為光生電子、 空穴進(jìn)行的界面氧化和還原反應(yīng)提供了有利的壞境。TiO2 光陽極的優(yōu)點(diǎn):納米TiO2 具有合適的禁帶寬度,化學(xué)穩(wěn)定好、無毒,具有優(yōu)越的光電介電效應(yīng),已在許多方面獲得了應(yīng)用。缺點(diǎn):作為光陽極時(shí)電子與空穴有一定的復(fù)合,因此需要對(duì)其進(jìn)行改性研3文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .究,其
11、中摻雜 TiO2 的研究占有很大部分。DSSC中的電流產(chǎn)生機(jī)理具體過程如下: 染 料Dye 受 到 可 見 光 激 發(fā) 由 基 態(tài) 躍 遷 到 激 發(fā) 態(tài) (Dye*) :激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(CB)中:I- 離子還原 Dye+ 使染料再生:導(dǎo)帶中的電子與Dye+之間發(fā)生復(fù)合:導(dǎo)帶 (CB) 中的電子在二氧化鈦網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)綄?dǎo)電玻璃后接觸面(BC) 后而流入到外電路中;在二氧化鈦薄膜中傳輸?shù)碾娮优c進(jìn)入二氧化鈦膜間隙的I3- 離子復(fù)合:I3-離子擴(kuò)散到對(duì)電極(CE)上, 得到電子,使I-再生:和其他太陽能電池不同, 在染料敏化太陽能電池中, 光的捕獲和光生載流子的傳輸是由敏化劑和
12、 TiO2 半導(dǎo)體分別完成的。2 實(shí)驗(yàn)2.1染料敏化 TiO2 納晶多孔薄膜電極及載鉑對(duì)電極的制備.采用溶膠 - 凝膠法并經(jīng)水熱處理制得TiO2 膠體 12,在導(dǎo)電玻璃 ( 方塊電阻30 W)表面涂敷膠體 ,經(jīng)450燒結(jié) 30 min后得到 TiO2 薄膜電極 ( 約7 mm 厚 ).電極的敏化通過吸附紅染料( 順二硫氰根 - 雙(2,2_- 聯(lián)吡啶 -4,4_ 二羧酸 ) 合釕( ) 12h 進(jìn)行載鉑對(duì)電極采用熱分解方法制備13.4文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .2.2聚合
13、物電解質(zhì)的制備M和LiI(Sigma)分別在PEO( w = 4000000),TiO2(P25, Degussa)50, 250, 200條件下真空干燥 24 h, 乙腈經(jīng)分子篩處理后使用. 先將一定量的 TiO2 在攪拌下加入到 50 mL 乙腈中 , 然后加入 0.1020 g LiI, 0.0631gI2及一定量的離子液體 1-甲基 -3- 丙基咪唑碘鹽 ,最后加入 0.2640 g PEO(P(EO)8 :LiI :I2 = 3 : 3: 1,摩爾比 ),攪拌過夜 , 分散均勻后 , 在室溫下使溶劑揮發(fā)至泥漿狀備用.2.3準(zhǔn)固態(tài)染料敏化TiO2 納晶電池的制備在 70下將上述電解質(zhì)涂
14、敷在 TiO2 薄膜電極表面 , 溶劑揮發(fā)完全后 , 將載鉑對(duì)電極覆于上面 , 得到準(zhǔn)固態(tài)電池 .2.4測(cè)量電池的光電性能采用循環(huán)伏安法于室溫下測(cè)量,測(cè)量?jī)x器為恒電位 / 恒電流儀 (Model273). 光源為 250 W 鹵鎢燈 , 入射光強(qiáng)為 100mW/cm2,光照面積為 0.2 cm2. 電解質(zhì)電導(dǎo)率采用阻抗法在 Solartron(1287( 恒電位儀 )/1255B( 頻率分析儀 ) 上測(cè)量 , 測(cè)量頻率為 1000 Hz.3 結(jié)構(gòu)與討論3.1聚合物 PEO 電解質(zhì)體系的電導(dǎo)率圖 1 為PEO 電解質(zhì)的電導(dǎo)率 s - 溫度曲線 . 當(dāng)測(cè)量溫度從 30至 80變化時(shí) , PEO 電
15、解質(zhì)體系的電導(dǎo)率 ( 曲線 1) 逐漸增大 , 但log s 與 1/ T 并不成直線 , 表明高分子 PEO 電解質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)制不同于一般液態(tài)電解質(zhì)中的離子傳輸機(jī)制 . 隨溫度的升高 , 高分子體系由晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)化 , 這種轉(zhuǎn)化對(duì)增大 s 有較大貢獻(xiàn) . 經(jīng)過升溫處理的 PEO/LiI+I2 體系 ( 曲線 2) 仍能在一定的時(shí)間內(nèi)保持非晶態(tài) , 從而使得其電導(dǎo)率在低于 PEO 的融熔溫度 (65 ) 的溫度范圍內(nèi)比未經(jīng)升溫處理的 PEO/LiI+I2 體系的要高 . 向 PEO/LiI+I2 體系中添加納晶 TiO2( 曲線 3), TiO2 顆粒嵌入 PEO長(zhǎng)鏈間使高分子 PEO 的分形
16、維度降低 , 體系的表面粗糙度增加 ,5文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .抑制了 PEO 的結(jié)晶 ,從而增大了體系的電導(dǎo)率5,6,14,15;在高于 PEO熔融溫度時(shí) , TiO2的加入仍可增大體系的電導(dǎo)率,表明納晶 TiO2 的加入 ,不僅抑制 PEO結(jié)晶 , 而且 TiO2 顆粒與 PEO 長(zhǎng)鏈形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 5,6 為離子的遷移提供了更大的運(yùn)動(dòng)空間 , 促進(jìn)了離子的輸運(yùn) . 離子液體 1- 甲基 -3- 丙基咪唑碘鹽本身是一種電解質(zhì) , 它的加入為 PEO/LiI +
17、 I2 體系提供了附加的導(dǎo)電載流子 ,從而使體系的電導(dǎo)率大大增加 , 見曲線 4; 而且在溫度較低時(shí) , 載流子數(shù)目增加對(duì)其電導(dǎo)的影響更為顯著 . 向有離子液體的電解質(zhì)中再加入 TiO2 還能進(jìn)一步改善電解質(zhì)的電導(dǎo)率 ( 曲線 5), 表現(xiàn)出離子液體和納晶 TiO2 對(duì)高分子電解質(zhì)體系電導(dǎo)率的協(xié)同優(yōu)化作用 .圖 1 不同聚合物電解質(zhì)體系電導(dǎo)率隨溫度變化曲線3.2納晶 TiO2添加劑對(duì)電解質(zhì)電導(dǎo)率及電池光電性能的優(yōu)化圖 2 顯示了聚合物電解質(zhì) PEO/TiO2 體系中 TiO2含量對(duì)其電導(dǎo)率及電池光電性能的影響 . 從圖中可以看出 , 適量的 TiO2 使電解質(zhì)的電導(dǎo)率、電池的短路光電流 ( J
18、sc) 和光電轉(zhuǎn)換效率 ( h) 均得到提高 . 當(dāng)TiO2含量為 10%即 P(EO)8:TiO2= 1 : 1時(shí) , 短路光電流、光電轉(zhuǎn)換效率與電解質(zhì)體系的電導(dǎo)率均達(dá)到最大 ; 繼續(xù)增加 TiO2 含量 , 由于 TiO2 的絕緣作用 , 電解質(zhì)的電導(dǎo)率逐漸減小 , 短路光電流和光電轉(zhuǎn)換效率也隨之下降 . 染料敏化納晶電池中 , 電解質(zhì)中的導(dǎo)電離子I-/I-3起著在 TiO2 工作電極和鉑對(duì)電極間輸運(yùn)電荷的作用;適量納晶 TiO2 的加入提高了電解質(zhì)的電導(dǎo)率,使離子運(yùn)動(dòng)速度增加 ,并且提高電解質(zhì)與電極界面的穩(wěn)定性 , 從而使電池的光電性能得到提高 . 但加入 TiO2 的聚合物電解質(zhì)體系的
19、電導(dǎo)率仍然較小 , 使得電池內(nèi)阻較大 , 造成電池的填充因子 FF 較小 . 因此納晶 TiO2 的加入對(duì)電池光電性能雖有改善但仍不夠理想 .圖 2 TiO2 含量與電解質(zhì)電導(dǎo)率及電池光電參數(shù)的關(guān)系P(EO)8LiI I2 = 3 31, 摩爾比3.3離子液體添加劑對(duì)PEO/TiO2 電解質(zhì)電導(dǎo)率及電池光電性能的優(yōu)化圖 3 顯示了聚合物電解質(zhì) PEO/ TiO2 + IE 體系中不同離子液體 IE 含量條件下電池的 I - V 曲線 , 表明隨離子液體含量的增加 , 電池的短路光電流 ( Jsc) 、開路光電壓 ( Voc) 及填充因子 (FF) 均逐漸增大 . 對(duì)電池的光電性能和電解質(zhì)體系電
20、6文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .導(dǎo)率受離子液體添加劑的影響進(jìn)行比較( 見圖 4) 發(fā)現(xiàn) ,電池光電性能的提高與電解質(zhì)體系電導(dǎo)率隨離子液體含量的增加而增大的趨勢(shì)是一致的 . 短路光電流的提高主要是由于電解質(zhì)的電導(dǎo)率增大使 I3- 擴(kuò)散速度增加及電解質(zhì) / 電極界面浸潤(rùn)性改善等 ;填充因子的增加則是由于電解質(zhì)的電導(dǎo)率提高使得電池內(nèi)阻降低,電池的 iR 降減少 ; 而開路光電壓的改善原因可能是離子液體改變了 TiO2 能級(jí)結(jié)構(gòu) . 因此在 PEO/TiO2 體系中加入離子液圖 3
21、電解質(zhì)中不同離子液體含量條件下電池I-V 曲線圖P(EO)8 LiI TiO2 I2 = 3 33 1,摩爾比圖 4 PEO/ TiO2 + IE電解質(zhì)中離子液體含量對(duì)電導(dǎo)率及電池光電性能的影響P(EO)8 LiI TiO2 I2 = 333 1,摩爾比體 , 全面改善了電池的光電性能 . 用P(EO)8 LiI TiO2 IE I2 = 3337 1( 摩爾比 ) 的電解質(zhì)組裝電池 , 在 100 mW/cm2 光強(qiáng)下電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.2%, 與無功能添加劑的電解質(zhì)相比,電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高8倍.并且在不做任何密封狀態(tài)下 , 電池的光電轉(zhuǎn)換效率 15 天內(nèi)基本不變 . 用無機(jī)納晶 T
22、iO2和不揮發(fā)、導(dǎo)電能力強(qiáng)的離子液體作為添加劑,對(duì)含有 I-/I-3聚合物 PEO 電解質(zhì)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化 ,發(fā)現(xiàn)在電解質(zhì)中添加適量納晶TiO2 和進(jìn)一步加入離子液體可顯著改善電池光電性能 ;并且電池光電性能的提高與電解質(zhì)體系導(dǎo)電性的增大密切相關(guān) .4 展望展望未來的染料敏化太陽能電池發(fā)展,我以為主要從以下幾個(gè)方面獲得突破:1. 制備高電子傳輸效率的電極材料。2. 增加染料敏化劑的品種,增加協(xié)同敏化的方法和敏化劑選擇。3. 高電導(dǎo)傳輸效率的電解質(zhì)。4. 高密閉性的封裝技術(shù)。任何事物的發(fā)展都要經(jīng)歷曲折的過程,但相信DSSC最終一定會(huì)走向成熟。可以預(yù)見,它必定產(chǎn)生理想的性能,滿足人們的需求。參考文獻(xiàn)1
23、 趙俊鋒 , 陳建華 染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展材料導(dǎo)報(bào)2010年9月( 上)7文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理 .word 版本可編輯 . 歡迎下載支持 .2 于利成李洪飛 染料敏化太陽能電池研究進(jìn)展3 谷笛 , 吳紅軍 , 王寶輝 染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展 可再生能源 Vol.26 No.3 Jun.20084 ORegan B, Gr?tzel M. A low -cost, high-efficiency solar cellbased on dye-sensitized colloidal TiO2 fi
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