二氧化锡基染料敏化太阳能电池电子传输模型优化及器件性能研究

针对染料敏化太阳能电池(DSSC)而言,其光阳极的材料特性与设计参数对DSSC性能具有显著影响。为了深入研究这一影响,本文采用数值模拟的方式,以探究光阳极结构变化对DSSC性能的详细影响。但目前的数学模型不够完善且预测精度较低,因而本文在光电子传输理论和朗伯比尔定律的基础上,采用常数堆叠法和可变堆叠法将孔隙率对电子扩散系数的影响引入到DSSC的数学模型中,建立了更加完善且精确的电子传输模型,该模型能够更深入剖析光阳极结构参数变化对DSSC性能的影响。通过数值模拟了在不同孔隙体积、电子寿命、SnO_(2)涂层厚度及比表面积下DSSC的性能。结果发现:随着SnO_(2)薄膜孔隙体积的增加,太阳能电池的短路电流密度逐渐减小,而开路电压则呈增大趋势,这导致光电转换效率逐渐降低。当孔隙体积达到0.10 cm^(3)/g时,DSSC光电转换效率达5.16%,因此在保证电池刚性的前提下,尽量降低SnO_(2)的孔隙体积,有利于吸收系数和扩散系数的提升,这两个参数的提升有利于DSSC整体性能的提升,同时电子寿命的延长会带来太阳能电池短路电流密度和开路电压的增大,进而提升光电转换效率,当电子寿命达到200 ms时,光电转换效率达到5.82%。本研究通过详细的数值模拟分析,为优化光阳极结构从而提升DSSC的光电性能提供了有力的理论指导,有助于进一步推动DSSC的研究与应用。

Cu-BTC和石墨烯改性的高性能染料敏化太阳能电池

采用Cu-BTC和三维网状石墨烯(3DGNs)对光阳极材料进行改性,通过提高光阳极的比表面积以及提供光生电子的快速输运通道,器件的短路电流和光电转换效率实现了显著的提高。采用SEM和XRD对复合光阳极的微结构进行分析,通过电流-电压曲线和入射光电流转化效率分析其光伏特性。通过调整光阳极中Cu-BTC,3DGNs和TiO 2的质量分数实现各种组分的协同作用。优化后,器件的短路电流为(20.5±0.1)mA/cm^(2),开路电压为(680±2)mV,填充因子为(61.9±0.1)%,能量转换效率为(8.63±0.1)%。

钨多酸热解制备染料敏化太阳能电池对电极WO_(2)@C电催化剂

以不同摩尔比的钨多酸和吡咯单体为原料,采用一锅水热法分别合成复合前驱体.在N_(2)氛围下800℃热解前驱体,制备了5种WO_(2)@C复合材料,并分别用作染料敏化太阳能电池(DSSCs)对电极.测试结果显示,n(钨多酸)∶n(吡咯)=0.20∶1时所制备的WO_(2)@C-4复合材料作对电极,电催化性能最优,能量转换效率最高,为5.92%,高于Pt电极(5.60%).这是由于添加适量吡咯,在热解过程中可以提高WO_(2)@C催化剂颗粒分散的均匀性,增加活性位点的数量,从而提高电催化活性.

TiO_(2)纳米晶空洞光阳极在染料敏化太阳能电池中的光电增效性能研究

以含炭微球作为模板,制备了TiO_(2)纳米晶空洞光阳极用于染料敏化太阳能电池(DSSC),通过调整模板的添加量,实现了空洞数目在光阳极中的调控。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)分析了样品的形貌和结构。结果表明:基于TiO_(2)纳米晶空洞的DSSC,在标准太阳光强度(100mW/cm^(2))辐照下,最佳的短路电流密度(J_(sc))可以达到18.31mA/cm^(2),开路电压(V_(oc))为0.701V,填充因子(FF)为0.578,电池效率(PCE)达到7.4%,相比基于TiO_(2)纳米晶的DSSC 4.4%的电池效率,提高了68.18%,其中J_(sc)的显著提高是电池效率提升的主要因素。光散射、电子寿命的分析表明,适当的空洞结构可以增加光阳极对可见光的散射作用,通过可见光在空洞结构中的多次反射使染料能被多次激发产生光生电子,从而提升了光捕获效率和电子寿命,最终实现了DSSC性能的提高。

基于铜钴硫化物的染料敏化太阳能电池光伏性能的研究

对电极对染料敏化太阳能电池的性能有很大影响。开发了一种无铂、低成本的二元复合对电极。采用溶剂热法在导电玻璃上成功地制备铜钴硫化物(Cu-Co-S)对电极。以硫化铜对电极为基础,在实验过程中引入钴元素,通过SEM和TEM图像可以看出,钴元素的引入改变了纯硫化铜对电极单一的物理特性。与此同时,通过Tafel和EIS等电化学测试对铜钴硫化物对电极进行了电催化活性的测试,测试结果表明,钴离子的引入改变硫化铜对电极的晶体结构,同时也提高了对电极的电催化性能。在光电流密度-电压曲线图中可以看到,由硫化铜对电极和铜钴硫化物对电极分别制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率从4.6%提高到5.2%,而铂对电极的原始效率为5.3%,铜钴硫化物对电极的效率已经非常接近于铂电极,从某种程度来说,达到了可以替代铂的作用,故铜钴硫化物对电极有望成为染料敏化太阳能电池更优良的对电极材料。

花青素染料敏化太阳能电池的制备与性能

采用两种晶相TiO_(2)光阳极、蓝莓花青素染料、I-/I3-电解质溶液、复合碳层对电极制备了染料敏化太阳能电池。通过XRD、SEM分析了TiO_(2)纳米颗粒的微结构与形貌,以模拟太阳光和电化学工作站检测了电池的光电性能,结果发现,太阳能电池性能差异较大,金红石相光阳极电池的光电转换率为锐钛矿相光阳极电池的三倍多,结合TiO_(2)纳米颗粒形貌及电池的EIS分析了原因。

染料敏化太阳能电池及TiO_(2)基光阳极的研究进展

随着人们对于能源需求量的增加,染料敏化太阳能电池作为一种清洁的能量收集装置得到广泛研究。染料敏化太阳能电池是通过染料来获得光电子,利用自身的氧化还原产生电流,但由于光阳极材料的比表面积和电子传输速率提升困难等因素,在实际应用中受到限制。总结了染料敏化太阳能电池的结构和工作原理和研究进展,对它们的优缺点进行分析,提出染料敏化太阳能电池发展中存在的问题和挑战,并对染料敏化太阳能电池光阳极的趋势进行了展望。

基于硫化镍的染料敏化太阳能电池光伏性能研究

在典型的染料敏化太阳能电池中,基于铂金属的对电极用于收集外电路的电子,并催化氧化态电解质还原。然而,由于铂金属为贵金属,因此需要开发廉价材料的对电极,从而降低生产成本。低温沉积法是一种简单的制备方法,它的主要优点是,在不需要高温加热的条件下,可以直接在导电衬底上沉积,制备出拥有优异催化性能的硫化镍薄膜,然后直接用作染料敏化太阳能电池的对电极。结果显示,基于硫化镍薄膜对电极的染料敏化太阳能电池的最佳光电转换效率为6.12%,这与基于铂对电极的染料敏化太阳能电池的转换效率(6.16%)非常接近。上述实验结果表明低温沉积法制备的硫化镍薄膜具有优异的电催化性能,有利于染料敏化太阳能电池的光伏性能提升。

染料敏化太阳能电池光阳极的研究进展

染料敏化太阳能电池(DSSC)具有成本低、质量轻、来源广等优点,是现有硅太阳能电池的替代品之一,应用前景广阔。DSSC制备的关键在于基材及与之相关的光阳极材料的制备。综述了光阳极近年的发展情况,详细分析了离子掺杂、基于微观结构改性的复合结构、表面处理和替代二氧化钛光阳极。水热法、电沉积法是目前制备高效光阳极的主要方法。最后对光阳极的研究方向进行了总结,并展望了未来染料敏化太阳能的发展趋势。

生物质基炭材料在染料敏化太阳能电池电极领域的研究进展

太阳能电池可将太阳能转化为电能,具有环保、高效等特性,因此受到国内外研究者的广泛关注。染料敏化太阳能电池(DSSCs)是一种备受瞩目的新型太阳能电池,但其所用的炭材料(如石墨烯、碳纳米管等)价格普遍较为昂贵,因此亟须开发高性能且价格低廉的炭材料。本综述旨在阐明生物质基炭材料在DSSCs中的应用策略和发展方向,为更好地促进生物质基炭材料在太阳能电池领域的应用提供科技支撑。生物质基炭材料具有电催化活性高、孔隙可调等特性,且来源广泛、制备简单、稳定性高。为了进一步增加比表面积,可以通过活化制备具有更多孔隙结构的活性炭材料;除了提供有序的分级孔隙结构,大多数生物质原料具有丰富的杂原子,因此杂原子掺杂可以在炭化后直接实现,从而提高生物质基炭材料的导电性;将生物质基炭材料与其他材料复合还可以进一步提高离子/电子迁移效率。这些生物质基炭材料应用在太阳能电池中可以有效地改善器件的稳定性、光电转换效率(PCE)等性能。笔者概述了生物质的来源和结构特性,归纳了生物质基炭材料的制备和修饰方法,并对DSSCs的工作原理进行了介绍,最后系统阐述了生物质基炭材料作为对电极、光阳极等DSSCs核心部件的研究进展和应用现状。

双层结构CeO_(2)光阳极在染料敏化太阳能电池中的应用

利用水热法合成核壳结构Au@SiO_(2)@CeO_(2)纳米微球,制备了一系列双层结构复合光阳极并应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)。研究表明:当CeO_(2)纳米微球和核壳结构Au@SiO_(2)@CeO_(2)纳米微球应用于DSSC光阳极散射层时,电池的光电转化效率有了显著提高。相对于纯TiO_(2)(P25)光阳极,P25/CeO_(2)纳米球光阳极电池的DSSC光电性能提高了15.3%,P25/Au@SiO_(2)@CeO_(2)纳米球光阳极电池的光电性能提高了27.9%。DSSC光电性能的提高主要归因于2个方面:一方面,Au纳米粒子的表面等离子体共振效应有效提高了光阳极薄膜的光散射效应。另一方面,CeO_(2)具有较高的染料负载能力,核壳球形结构具有较高的比表面积,增强了光的散射效应,提高了电子传输能力。

聚吡咯纳米棒的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

聚吡咯具有优异的导电性能和电催化性能,在光电器件领域有广阔的应用前景。本文以甲基橙(MO)为模板,通过化学浴沉积法在氟掺杂的氧化锡(FTO)导电玻璃上可控制备聚吡咯(PPy)纳米棒,并将其用于染料敏化太阳能电池的对电极材料(DSSC)。采用扫描电子显微镜(SEM)及多种电化学测试方法对不同MO用量下制备的聚吡咯纳米棒进行了表征和电催化性分析。结果表明,当MO与吡咯单体的物质的量比为1∶10时得到的聚吡咯对电极的电荷转移电阻(R_(ct))最小,为6.37Ω·cm~2。聚吡咯对电极组装的染料敏化太阳能电池在模拟AM1.5太阳光标准(100 W/cm~2)的照射下,光-电转换效率最高可达5.00%。

硫化锡薄膜制备及其在染料敏化太阳能电池中应用研究

硫化锡薄膜是一种重点研究的染料敏化太阳能电池对电极材料。采用低温沉积技术制备硫化锡薄膜。采用SEM、TEM、XPS表征硫化锡薄膜的形貌结构以及元素和价态。结果分析表明,在FTO上可直接获得硫化锡薄膜,且呈现出片状结构。通过调控二水合氯化亚锡和硫代乙酰胺的摩尔比,有效调控其表面形貌。电化学测试表明,当二水合氯化亚锡和硫代乙酰胺的摩尔比为1∶1时,硫化锡薄膜展现出较好的电催化性能。以硫化锡薄膜为对电极,组装染料敏化太阳能电池,并测试其电流密度-电压曲线。结果表明,电池器件光电转换效率达到3.14%。可见,采用低温沉积技术制备的硫化锡薄膜可作为非铂对电极材料,具有广阔的应用前景。

有序多孔结构在染料敏化太阳能电池中研究进展

有序多孔结构展现出孔隙率高、光子带隙等特性,在催化、超级电容器、太阳能电池等领域有广泛应用前景。尤其在染料敏化太阳能电池应用中,充分利用有序多孔结构特性提升电池器件光伏性能。本文首先概述有序多孔结构的制备方法,其次阐述染料敏化太阳能电池工作机理,总结有序多孔结构应用现状,最后对有序多孔结构在太阳能电池中应用前景进行展望。

QSPR建模方法及其在染料敏化太阳能电池性能预测方面的研究进展

定量结构-性质关系(QSPR)作为一种有效的工具,可以弥补实验方法在性质数据库中的不足,并在分析模型获得的结构因素的基础上,为设计新的染料提供启发。本文介绍了QSPR的建模过程以及在染料敏化太阳能电池(DSSCs)性能预测方面的分子描述符,综述了QSPR目前已建立的机器学习与深度学习模型,并总结了QSPR模型在DSSCs中的相关应用,最后对光电转换效率基于深度学习QSPR的研究进展和趋势进行展望。

SiO_(2)-TiO_(2)复合膜在染料敏化太阳能电池中的应用

文章通过Stober法合成粒径为300 nm的SiO_(2)纳米球,将该纳米球以乙醇为溶剂配置成一定浓度的悬浮液,通过旋涂法使其在染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)的光阳极P25上形成一层薄膜,再将形成的P25-SiO_(2)复合膜放入TiO_(2)溶胶中浸泡一定时间,使得光阳极上的SiO_(2)纳米球被TiO_(2)纳米粒子包裹,形成SiO_(2)-TiO_(2)核壳结构薄膜。与没有散射层的DSSCs相比,以该核壳结构薄膜作为DSSCs的光散射层电池的光电转换效率提高了18%。

浆料组成对纳米TiO_(2)染料敏化太阳能电池性能的影响

为提高TiO_(2)光阳极染料吸附量和染料敏化太阳电池(DSSC)的光电转换效率。在制备TiO_(2)浆料过程中,加入不同量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、乙酰丙酮、聚乙二醇(PEG 20000),经机械搅拌得到TiO_(2)浆料,采用旋涂法在基底上制备多孔TiO_(2)薄膜阳极,组装成染料敏化太阳电池。采用紫外-可见分光光度计、太阳光模拟器及2400型数字源表测试其紫外可见光吸收光谱以及光电转换效率。利用正交实验探讨了浆料中聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、乙酰丙酮和聚乙二醇(PEG 20000)对浆料吸光度及DSSC光电性能的影响。研究结果表明,DSSC光电转化效率最佳的配方为:CTAC:0.6 g,乙酰丙酮:1.2 mL,PVP:0.6 g,PEG 20000:1 g,效率(η)达到4.20%。染料吸附量最佳的配方为:CTAC:0.4 g,乙酰丙酮:1.2 mL,PVP:0.6 g,PEG 20000:1.5 g,吸光度为0.386。由此制得的TiO_(2)光阳极薄膜更优质,光电转换效率和染料吸附量较样本均值有显著提升。

染料光敏化剂在染料敏化太阳能电池研究进展

简要分析了染料敏化太阳能电池的工作原理以及基本结构,针对染料光敏化剂在染料敏化太阳能电池(DSSC)所扮演的关键角色,重点综述了多吡啶钌光敏化剂、有机染料光敏化剂及复合染料光敏化剂在DSSC的应用研究进展。其中混配多吡啶钌配合物应用在DSSC光电转化效率(η)普遍较有机染料和复合染料敏化剂高,且稳定性好,成为提高DSSC光电性能的有效途径。最后展望了未来DSSC新型光敏化剂的发展前景。

基于掺杂的染料敏化电池光阳极性能的研究进展

纳米TiO_(2)半导体材料具有较高的禁带宽度和良好的耐光腐蚀性,被认为是最具有发展潜力的太阳能电池的光阳极材料,但二氧化钛存在禁带宽度大且激发波长短、光生电子容易复合等问题,在很大程度上阻碍了人们对提高染料敏化太阳能电池光电效率的研究。适当的金属和非金属掺杂剂可改善二氧化钛的内部结构,引入杂质能级和缺陷位置或替代晶格阵点上的氧原子,导致材料的表面结构和电子态发生变化,进一步促进了光生电子和空穴的分离,抑制了它们的复合,从而拓宽了可见光谱的响应范围并提高了光电性能。从掺杂剂种类入手,分别从金属掺杂、非金属掺杂和金属非金属共掺杂3个方面对掺杂机理进行梳理总结,并对未来研究方向进行展望。

柔性TiO_(2)/ZnO复合光阳极的制备及染料敏化太阳能电池性能研究

本研究采用阳极氧化法制备钛基底TiO_(2)纳米管阵列,用水浴法、连续水浴法在TiO_(2)纳米管阵列上生成ZnO,纳米棒阵列形成TiO_(2)/ZnO复合光阳极,用手术刀法在ITO/PEN柔性导电基底刮涂石墨浆料作为对电极。利用SEM和XRD来研究生成晶体的微观样貌和晶相结构,用电化学工作站来测试组装的柔性染料敏化太阳能电池的光电性能。研究表明:由连续水浴法制备的TiO_(2)/ZnO复合光阳极结合柔性石墨对电极所组成的电池所得的晶相取向性更为一致,光电性能更好。所得电池的开路电压、短路电流密度、填充因子和光电转化效率分别为0.41V、0.19mA/cm^(2)、0.27和2.15%。