染料敏化太阳电池的实验研究

通过优化纳米TiO2多孔薄膜的微结构,改善多孔薄膜表面特性和光利用,优选染料敏化剂,拓宽光谱响应以提高电池的电流密度;降低薄膜厚度、优化电解质组分以提高开路电压;通过改善电子收集以提升电池的填充因子。通过改进制作工艺,最终获得11.12%的染料敏化太阳电池(0.16cm2)光电转换效率。

TiO_2薄膜优化对染料敏化太阳电池性能的影响

纳米TiO2多孔薄膜微结构对染料敏化太阳电池(DSC)光伏性能有很大的影响。本文采用不同实验和测试方法研究和分析了溶胶-凝胶法制备纳米TiO2颗粒时的热处理温度、TiO2多孔薄膜厚度、纳米TiO2大颗粒光散射、TiCl4溶液处理和电沉积致密TiO2层对纳米多孔薄膜电极和染料敏化太阳电池光伏性能的影响,得到了最佳的优化条件,为纳米TiO2薄膜材料的批量化制作打下了良好基础。

化学浴沉积方法制备硫化铟敏化太阳电池及其性能研究

硫化铟是一种稳定、低毒性的半导体材料.本文采用低成本的化学浴沉积方法制备了硫化铟敏化太阳电池,X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)结果表明形成了硫化铟敏化的二氧化钛薄膜.化学浴沉积温度对所得硫化铟敏化薄膜的形貌有显著的影响,进而影响电池性能.温度太低时,化学浴沉积反应速率太低,只发生少量沉积;温度太高时,化学浴沉积反应速率较快,硫化铟来不及沉积到二氧化钛多孔薄膜内部.当温度在40°C时,硫化铟沉积均匀性最好,薄膜的光吸收性能最佳,电池的短路电流最大,另外,填充因子达到最佳,为65%,电池总体光电转换效率为0.32%.

极端温度条件下染料敏化太阳电池的稳定性研究

通过采用微观电化学阻抗技术，研究染料敏化太阳电池（DSC）在交变温度（-40～85℃）、极端高温（85℃）和极端低温（-40℃）条件下的长期稳定性。实验结果表明：极端低温对DSC的稳定性无明显影响，DSC的稳定性主要是由高温阶段决定的；长期的高温考验不仅会影响电池的密封，还会对电池的界面产生不利的影响，降低电池的电子传输寿命。

高相转变温度的离子凝胶电解质基准固态染料敏化太阳电池

染料敏化太阳电池(DSC)以其低价、高效等优势,成为学术界和工业界的研究热点.传统液态电解质由于易挥发、易泄漏等问题,导致基于液态电解质的电池难以保持长期稳定,影响光伏技术的应用.本文合成了N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺,将其作为有机小分子胶凝剂(LMOG)胶凝离子液体电解质(ILE)制备了离子凝胶电解质(IGE)并组装成准固态电池(QS-DSCs).差示扫描量热测试显示该凝胶电解质的相转变温度(Tgel)为104.7°C,具有良好的本征热稳定性.利用循环伏安法、电化学阻抗谱、调制光电压/光电流谱分别研究了液态电池和准固态电池内部电子传输和复合动力学过程.结果表明,凝胶电解质的三维网络结构加速了Ti O2光阳极/电解质界面电子与电解质中I3-的复合过程,使电子寿命降低,导致准固态电池的光电转换效率略低于液态电池.在AM 1.5(100 m W·cm-2)及50°C条件下的加速老化测试结果显示,持续老化1000 h后其光电转换效率(η)无衰减,而液态电池的光电转换效率衰减为初始值的86%,表明准固态电池具有良好的光热稳定性.

Sb_2S_3纳米丝的合成及杂化太阳电池研究

利用溶剂热方法制备出高质量的Sb2S3纳米丝,并将其与聚(2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-对苯乙炔)(MEH-PPV)共混制备成体型结构聚合物太阳电池.利用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和紫外-可见吸收光谱对Sb2S3纳米丝进行表征,利用电流-电压(J-V)测试和电池的光电转换效率(IPCE)谱研究了Sb2S3纳米丝含量对Sb2S3/MEH-PPV共混体型结构太阳电池性能的影响.结果表明,合成的Sb2S3纳米丝直径为60～70 nm,长度为4～6μm,沿[001]晶向生长,在紫外-可见光区有较强的吸收,光学带隙为1.57 eV.电池性能测试结果表明,Sb2S3纳米丝作为辅助光吸收材料及有效的电子传输材料,提高了对可见光的利用率;Sb2S3的补充吸收作用使Sb2S3/MEH-PPV共混电池具有一定的宽谱响应特点;与不含Sb2S3的电池相比,Sb2S3/MEH-PPV共混电池中增加的MEH-PPV/Sb2S3界面提高了光生激子分离效率,从而提高了电池的效率.

大面积染料敏化太阳电池及其应用研究

以大面积并联染料敏化太阳电池为例讨论了大面积染料敏化太阳电池的设计方法,简要介绍了课题组建设大面积染料敏化太阳电池中试线的基本情况。针对未来染料敏化太阳电池在光伏建筑一体化(BIPV)领域的应用,结合电池的可见光透光率,模拟计算不同透光率下染料敏化太阳电池的输出性能,分析了染料敏化太阳电池转换效率随电池透光率的变化规律,并给出了最优化设计方案,为未来染料敏化太阳电池的应用提供理论基础。

染料敏化太阳电池中多相接触界面电子转移机制和动力学过程

采用电化学阻抗谱(EIS)研究了染料敏化太阳电池(DSC)中由导电玻璃、纳米多孔TiO2薄膜和电解质构成的多相复杂接触界面的电子转移机制和动力学过程.通过沉积聚合物薄膜简化多相接触界面结构,根据接触界面结构和电子转移途径的变化,分析了不同偏压下多相接触界面电子转移机制,构建与之对应的等效电路,获得了DSC内部各个主要接触界面的电子转移动力学常数.结果表明,通过外加偏压的控制和多相接触界面结构的简化,可以区别分析多相复杂接触界面电子转移机制与动力学过程.

对电极性能对染料敏化太阳电池动力学过程的影响

借助电化学阻抗谱(EIS)和强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)技术,采用不同纳米TiO2多孔薄膜对电极研究了染料敏化太阳电池(DSC)内部2个主要电荷输运过程的内在联系,并探讨了载Pt材料对DSC界面动力学过程及电池宏观性能的影响机理.借助等效电路模型分析了基于不同对电极材料电池的填充因子变化原因.结果表明,对电极材料的电极电荷交换过程制约光阳极膜内电子传输,进而影响电池光伏性能;同时对电极催化反应速率主要与催化剂活性、载Pt材料电导率和催化反应面积有关.

基于氧化物异质结的量子点敏化太阳电池

将半导体钒酸铋(BiVO4)作为光俘获材料,采用连续离子层吸附和反应法(SILAR)将其沉积在纳米晶TiO2多孔薄膜上并用作光阳极制备液态量子点敏化太阳电池。利用紫外可见吸收光谱、XRD和TEM等表征手段深入研究BiVO4前驱体溶液的浓度、离子沉积次数以及浸泡处理时间对BiVO4敏化的TiO2薄膜的影响及机理。结果表明:采用Bi(NO3)3·5H2O和NH4VO3的水溶液作为前驱体溶液时,当NH4VO3水溶液的pH=3,连续沉积20次后,电池具有最佳光伏性能:电池短路电流密度为1.78mA/cm2,光电转换效率达到0.32%。结果表明,BiVO4作为光俘获材料,在量子点敏化太阳电池中具有潜在的应用前景。

染料敏化太阳电池中TiO2/染料/电解质界面的修饰

染料敏化太阳电池(DSC)作为新型太阳电池自问世以来受到了广泛关注,其系统内部的接触界面尤其是TiO_2/染料/电解质界面一直是该领域的研究热点.光敏染料的吸附以及电子的注入、传输和复合都发生在该界面,其界面性质对DSC性能具有很大影响.对染料敏化太阳电池中TiO_2/染料/电解质界面进行修饰可以有效抑制染料聚集和电子复合,提高电子的注入效率与传输速率;同时,对TiO_2导带边的位置及染料吸附等也产生一定的影响,最终提高电池的光电转换效率和稳定性.本文主要从不同的修饰途径详细评述了TiO_2/染料/电解质界面修饰方法及机理研究进展,包括TiO2_光阳极的修饰改性、染料溶液中共吸附剂的引入和多种染料共敏化处理以及电解质中不同功能添加剂的应用.指出了这些修饰方法目前存在的主要问题,并对未来的发展方向进行了展望.

基于薄膜电极溶胶修饰的染料敏化太阳电池光电特性研究

染料敏化太阳电池(DSC)中的纳米薄膜电极是决定太阳电池光电转换性能的重要组成部分.为改善薄膜电极特性,采用了不同浓度的TiO_2溶胶对DSC光阳极导电玻璃和纳米TiO_2多孔薄膜进行不同方式的界面处理.利用X射线衍射方法对制备得到的多孔薄膜以及溶胶经高温处理后致密层中纳米TiO_2颗粒的尺寸及晶型进行了测试.采用高分辨透射电子显微镜和场发射扫描电子显微镜观察了纳米颗粒及薄膜微结构形貌.采用强度调制光电流谱/光电压谱分析了TiO_2溶胶的不同处理方式对电子传输和复合的影响.在100 mW·cm^(-2)光强以及暗环境下分别测试了DSC的伏安输出性能以及暗电流.结果表明,不同浓度和处理方式均能较好地抑制暗电流.溶胶处理后光生电子寿命Υ_n延长,电子传输平均时间Td相应缩短.采用浓度为0.10 mol·L^(-1)的溶胶对导电玻璃和多孔膜同时处理,DSC的宏观输出特性最佳,短路电流密度J_(sc)提高了10.9%,光电转换效率η提高了11.9%.

TiCl_4处理多孔薄膜对染料敏化太阳电池中电子传输特性影响研究

借助于强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术,研究了纳米TiO2多孔薄膜在TiCl4溶液处理后组装成的染料敏化太阳电池(DSC)中电子传输和背反应动力学特性.研究表明:纳米TiO2多孔薄膜经TiCl4溶液处理后,电池中暗电流减小,电子寿命τn明显延长,电子传输时间τd缩短,电子有效扩散系数Dn增大,电子扩散长度Ln值升高,入射单色光子/电子转化效率ηIPCE增加,光生电荷量Qoc显著增加.文章从微观层面上研究了TiCl4溶液处理纳米TiO2多孔薄膜对DSC内部电子的产生、传输和复合过程的影响,从而很好地解释了电池光伏性能随TiCl4溶液处理的变化关系.

染料敏化太阳电池阻抗特性研究

电化学阻抗谱(EIS)是染料敏化太阳电池(DSC)领域中最重要的研究手段之一。本文详细介绍了EIS在DSC研究中的理论模型、实验方法、内部电荷传输和转移过程、阻抗信息提取和动力学过程解析的最新研究进展;综述了其在光阳极、电解液体系、对电极、稳定性、新结构设计等DSC各个研究领域中的应用,特别总结了DSC内部各个组成部分的阻抗特性。最后,对这些方面存在的问题进行了评论,并对未来新材料和电池机理的深入研究进行了展望。

负偏压作用下染料敏化太阳电池界面及光电性能研究

太阳电池组件由于局部电压不匹配,其中部分电池可能较长时间工作在负偏压状态下,从而影响电池光电性能.借助拉曼光谱、电化学阻抗谱和入射单色光量子效率(IPCE)等测试手段,研究长期负偏压作用下染料敏化太阳电池光电性能的变化及其影响机理.拉曼光谱研究结果表明:电池在1000h负偏压作用下,电解质中阳离子(Li+)会向光阳极(TiO2电极)移动并嵌入TiO2薄膜中;长期负偏压作用还会致使TiO2/电解质界面阻抗增大和IPCE下降,导致电池开路电压升高和短路电流减小.通过加入苯并咪唑(BI)添加剂,经1000h负偏压后电池的拉曼光谱实验表明,BI能在一定程度阻碍Li+的嵌入,电池具有较好的长期稳定性.不同负偏压下的老化实验进一步表明,通过加入添加剂能够使电池在长期负偏压下保持较好的稳定性.

调制光/电作用下染料敏化太阳电池中电荷传输和界面转移研究

详细讨论了染料敏化太阳电池(DSC)在稳态光照射或外加偏压下电荷的传输和转移过程,以及在调制光/电作用下电池的频率响应特点.通过电化学阻抗谱、光电化学阻抗谱、强度调制光电流谱和强度调制光电压谱等四种频谱光电测试手段,对DSC中TiO2薄膜电子传输和界面转移的相关时间常数进行测量.详细分析和比较了电荷的传输及转移过程对时间常数的影响.结果表明,在低光强或低偏压下电荷传输和转移过程对时间常数影响较小,但在高光强或高偏压下对电子寿命影响明显.

染料敏化太阳电池中TiO_2颗粒界面接触对电子输运影响的研究

采用溶胶-凝胶法制备TiO2浆料,通过丝网印刷技术印刷和不同温度曲线烧结TiO2薄膜,并应用于染料敏化太阳电池(DSC).高分辨透射电子显微镜发现,低温下多孔薄膜中TiO2颗粒之间呈现点接触,510℃烧结后TiO2颗粒间由点接触变为面接触,近邻颗粒数增多,接触面积增大.同时采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术,研究了不同颗粒接触方式和接触面积对电子传输与复合的影响.结果表明:在420—510℃之间,随着烧结温度提高,颗粒接触面积增大,电子传输时间(τd)缩短,电子有效扩散长度(Ln)增大,暗电流减小;当烧结温度达到550℃时,薄膜比表面积减小,多孔结构坍塌,表面态密度增大,电子传输时间(τd)增大.电池光伏特性研究表明:在480—510℃范围内烧结得到的TiO2薄膜,电池短路电流密度(Jsc)最佳,电池效率(η)最好.

染料敏化太阳电池内部光路折转对电子传输特性的影响

基于染料敏化太阳电池(DSC)光阳极的反射层结构,建立了含有光路折转的电子连续性方程.计算和分析了不同吸收条件和反射条件下的调制光电流频率响应特性,研究了DSC内部光路折转对电子传输特性的影响.通过不同膜厚的强度调制光电流谱测试表明,建立的模型反映了DSC内部光路折转时调制光电流频率响应.动力学研究结果表明,在含有反射层的DSC中,电子传输动力学过程依赖于光吸收系数、薄膜厚度以及大颗粒反射能力等因素.DSC内部光路折转导致较深陷阱被电子填充,缩短了电子在陷阱中的停留时间,减小了俘获/脱俘影响,使电子传输过程加快.

长期实时监测对染料敏化太阳电池界面及光电性能的影响

本文借助拉曼光谱和电化学阻抗等测试手段,研究长期实时监测下染料敏化太阳电池光电性能的变化及其影响机理.实验结果表明,给电池加载?0.1–0.7 V的测试偏压,经过10000次实时循环监测后,电池拉曼光谱、电池界面阻抗、电子传输和复合时间与其在开路条件下变化趋势基本一致;长期实时监测对电池稳定性研究无影响.然而,如果在实时监测中给电池加载远高于其开路电压的偏压,电池的界面和光电性能将受到影响,电池内部染料将可能发生脱附效应,电池性能将急剧下降,实时监测结果将会失真.

pH值和离子强度对放射性核素镍在MX-80黏土上的吸附影响和模型研究

利用酸碱滴定、XRD和FTIR对MX-80黏土进行了详细的表征和分析.用静态法研究了离子强度、固相浓度和pH值对放射性核素63Ni(Ⅱ)在MX-80黏土上的吸附,并用扩散模型(diffuse layer model(DLM))和FITEQL3.1软件对吸附数据进行模型拟合研究.研究结果表明,放射性核素63Ni(Ⅱ)在MX-80黏土上的吸附主要受表面络合作用,在低pH条件下离子交换作用也起一定的影响.利用Langmuir和Freundlich模型对吸附等温线进行拟合研究,表明Freundlich模型可以更好的拟合放射性核素63Ni(Ⅱ)在MX-80黏土的吸附.研究结果对于评估放射性核素63Ni(Ⅱ)在作为填充材料的MX-80黏土中的吸附和迁移具有重要的意义.