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1、 毕业论文毕业论文毕业论文毕业论文 题 目以碳纳米管作为大面积染料敏化太阳能电 电池对电极的研究 专 业 材料科学与工程 毕业论文 1 目目 录录 摘摘 要要I AbstractII 前前 言言1 1.1 染料敏化太阳能电池背景1 1.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理 .2 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构 3 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理 4 1.3 染料敏化太阳能电池的研究.4 1.3.1 阳极材料的研究进展 4 1.3.2 染料分子5 1.3.3 电解质的研究 5 1.3.4 阴极对 DSSC 性能的影响5 1.4 染料敏化太阳能电池阴极替换材料课题研究 .6 2.
2、实验部分实验部分.6 2.1 实验材料 .6 21.1 实验仪器 .6 21.2 实验试剂 .6 2.1.3 实验工具7 2.2 实验过程 .7 3结果与讨论结果与讨论9 3.1 碳纳米管光电转化效率检测结果展示.9 3.2 同块电池在弱光强光下光电转换效率对比.10 3.3 碳纳米管作为对电极的大面积电池稳定性测试.11 结论结论12 参考文献参考文献13 致致 谢谢14 毕业论文 2 摘摘 要要 本论文通过以碳纳米管替换 Pt 材料作为染料敏化太阳能电池对电极研究其 光电转化性能。在实验过程中，在一个标准太阳光下，我们测得以碳纳米管为对 电极的大面积染料敏化太阳能电池的的光电转化效率达到了
3、 4.15%，与 Pt 电极的 相近。通过电化学阻抗谱塔菲尔曲线及伏安线扫图对碳纳米管及 Pt 的性能进行 对比。电催化表征表明碳纳米管材料具有类贵金属铂的电催化性能。因此，碳纳 米管材料是替代 Pt 成为大面积染料敏化太阳能电池的理想材料。 关键词：关键词：染料敏化太阳能电池；对电极；碳纳米管 毕业论文 3 Abstract In this paper, the electrocatalytic performance of the electrode was studied by replacing Pt with carbon nanotubes as dye-sensitized so
4、lar cells. During the experiment, in a standard under the sunlight (mW/cm squared), we measured to carbon nanotubes for large area of the electrode dye-sensitised cells photoelectric conversion efficiency reached 4.15%, close to the Pt electrode. The performance of carbon nanotubes and Pt was compar
5、ed by electrochemical impedance spectra and voltammetry. Electrocatalytic characterization shows that the carbon nanotube materials have the electrocatalytic properties of noble metal platinum. Therefore, carbon nanotube material is an ideal material to replace Pt into a large scale dye-sensitized s
6、olar cell. Key words: Dye-sensitized solar cells; The electrode; Carbon nanotubes 毕业论文 1 以碳纳米管作为大面积染料敏化太阳以碳纳米管作为大面积染料敏化太阳 能电池对电极的研究能电池对电极的研究 1.前前 言言 1.1 染料敏化太阳能电池背景染料敏化太阳能电池背景 太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，在能源日益短缺的今天，太阳 能的利用显得尤为重要，而太阳能利用的重要途径之一就是光电的转化，这就涉 及到了太阳能电池。现如今，主要有硅系太阳能电池、染料敏化太阳能电池 (Dye-Sensitized Sola
7、r Cells,简称 DSSC)、化合物薄膜太阳能电池、有机太阳能电 池等。目前较为成熟的是硅太阳能电池，但由于价格过高，因而难以实现产业化。 法国科学家 HenriBecquerel 于 1839 年首次观察到光电转化现象1，但是直 到 1954 年第一个可实用性的半导体太阳能电池的问世，“将太阳能转化成电能” 的想法才真正成为现实2。在太阳能电池的最初发展阶段，所使用的材料一般是 在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料，因此这种太阳能电池又称为半导体太 阳能电池。尽管宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸 附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，也可以将太阳能转化为电
8、能， 这种电池就是染料敏化太阳能电池3。 1839 年，Becquerel 发现氧化铜或卤化银涂在金属电极上会产生光电现象， 证实了光电转换的可能。 1960 年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier 及 R.Memming 发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光 电化学电池的重要基础4。 1980 年代, 光电转换研究的重点转向人工模拟光合作用，美国州立 Arizona 大学的 Gust 和 Moore 研究小组成功模拟了光合作用中光电子转换过程，并取得 了一定的成绩。Fujihia 等将有机多元分子用 L B 膜组装成光电二极管，开拓了 这方面的
9、工作4。 1970 年代到 90 年代，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh 等人大 量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电 毕业论文 2 极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于 1%4。 1991 年，瑞士科学家 Grtzel 等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池 中的转化效率提高到 75%。从此，染料敏化纳米晶太阳能电池(即 Grtzel 电池)随 之诞生并得以快速发展4。 目前，DSSC 的光电转化效率已能稳定在 10以上，据推算寿命能达 1520 年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的 1/51/1
10、0。 1.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理染料敏化太阳能电池的结构和工作原理 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构 图 1.2.1 染料敏化太阳能电池的构造原理图5 染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、 Pt 对电极组成，其主要由纳米多孔半导体薄膜（此实验中用的 TiO2）、染料敏 化剂、电解液、对电极和导电玻璃等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金 属氧化物(TiO2、SnO2、ZnO 等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为 DSC 的 负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染 料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的
11、是含有氧化还原电对的电解 质，最常用的是 KCl（氯化钾）。 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理 当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注 入半导体的导带。 氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这 样，开路时两极产生光电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流。 毕业论文 3 图 1.2.2 染料敏化太阳能电池工作原理图5 通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个反应步骤速率常数的数量 级： 染料（S）受光激发由基态跃迁到激发态（S*）。 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中。 I-离子还原氧化态染料可以使染料再生。 导带中的
12、电子与氧化态染料之间的复合。 导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面（back contact ，BC）后 而流入到外电路中。 纳米晶膜中传输的电子与进入 TiO2 膜的孔中的 I3-离子复合。 I3-离子扩散到对电极上得到电子使 I-离子再生。 激发态的寿命越长，越有利于电子的注入，而激发态的寿命越短，激发态分 子有可能来不及将电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到基 态。、两步为决定电子注入效率的关键步骤。电子注入速率常数（kinj）与 逆反应速率常数（kb）之比越大（一般大于三个数量级），电子复合的机会越小， 电子注入的效率就越高。I-离子还原氧化态染料可以使染料再生，从
13、而使染料不 断地将电子注入到二氧化钛的导带中。步骤是造成电流损失的一个主要原因， 因此电子在纳米晶网络中的传输速度（k5）越大，电子与 I3-离子复合的交换电流 密度（J0）越小，电流损失就越小。步骤生成的 I3-离子扩散到对电极上得到电 子变成离子 I-（步骤），从而使 I-离子再生并完成电流循环。 研究结果表明：只有非常靠近 TiO2表面的敏化剂分子才能顺利把电子注入 到 TiO2导带中去，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子运输;染料色激发态寿命很 毕业论文 4 短，必须与电极紧密结合，最好能化学吸附到电极上;染料分子的光谱响应范围 和量子产率是影响 DSC 的光子俘获量的关键因素。到目前为止
14、，电子在染料敏 化二氧化钛纳米晶电极中的传输机理还不十分清楚，有 Weller 等的隧穿机理、 Lindquist 等的扩散模型等，有待于进一步研究5。 1.3 染料敏化太阳能电池的研究染料敏化太阳能电池的研究 1.3.1 阳极材料的研究 通过查阅文献获知：纳米多孔氧化物半导体薄膜的制备方法、晶体类型、表 面形态、微粒尺寸、孔的大小以及组成等因素对 DSSC 的性能都有很大影响。 由于 DSSC 的开路电压取决于半导体氧化物的费米能级与电解质氧化还原电 对的电势的相对差值，因此其它宽禁带半导体氧化物也引起了当今科学家们的注 意。而将不同的半导体氧化物复合，制成具有核一壳结构的复合电极，也取得了
15、 一定的效果，例如 ZnO/Ti02、 ZnO/Sn02、SnO2/ ZnO、A12O3/Ti02等复合电极 (X/Y，X 代表壳，Y 代表核)。这主要是由于适当厚度的壳的形成，抑制了电子 的复合，提高了 DSSC 的性能。报道的 ZnO/TiO2电极在 81.0mW/cm2白光的照 射下，取得短路电流密度 21.3mA/cm2，开路电压 712mV，总能量转换效率 9.8 的效果6。此外，关于电子的传输理论以及在多孔膜中的渗透有不同的报道，像 跳跃理论、隧穿效应、扩散理论等，这都还需要科学界的进一步的验证、研究和 完善。 薄膜的制备方法主要有刮涂法、溶胶一凝胶法、水热法、丝网印刷法等，有 时
16、往往多种方法同时使用。此外在制备薄膜的过程中，对 Ti02薄膜电极作一些修 饰，可明显改善 DSSC 的光电性能，例如通过用 TiCl4、HCl、异丙氧醇钛等处理。 1.3.2 染料分子 染料是 DSSC 的核心材料之一，它的主要作用是对太阳光的吸收，并把光电 子传输到 Ti02的导带上，其性能的优劣对 DSSC 光电转化效率起着决定性的作用。 敏化染料一般要符合以下几个条件： (1) 在 TiO2 纳米晶电极表面具有良好的吸附性，即能够快速达到吸附平衡， 且不易脱附；(2) 在可见光区域要有较强较宽的吸收带；(3) 其氧化态和激发态要 有较高的稳定性；(4) 激发态寿命足够长，且有很高的电荷传输效率；（5）具有 足够负的激发态氧化还原电势以保证染料激发态电子注入 TiO2 导带；（6）在氧 毕业论文 5 化还原过程中，要有相对低的势垒以便在初级和次级电子转移中的自由能损耗最 小7。 无机染料一般是指金属有机络合物。其中研究最多的是钌一多吡啶络合物。
