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1、枣庄职业学院毕业设计（论文） 枣庄职业学院 毕 业 设 计（论 文）研究染料敏化纳米晶太阳电池系 部 应用化工系 专 业 应用化工技术班 级 08级高职三班20 11 年 5 月摘要进入21世纪的我们对电源的需求越来越高。太阳能电池作为一种新能源,由于具有广泛性、清洁性、安全性等优点,因而被大家视为最理想的电池。染料敏化剂的性能是影响染料敏化太阳能电池光电转化效率的重要因素,关于染料敏化剂的研究是当前研究的热点之一。本论文从染料敏化纳米晶太阳能电池阳极的制备及其染料共敏化方面进行了研究。 首选，本论文在总结染料敏化纳米晶太阳能电池工作原理、效率的提高和最新发展的基础上，用溶胶-凝胶法(Sol-
2、Gel法)制备了锐钛矿晶型的纳米晶多孔TiO2粉体。通过改变制备TiO2的溶胶前驱液中表面活性剂(PEG)的量、pH值以及加水量来确定合适的前驱物组分含量，以达到提高TiO2颗粒的表面粗糙程度和颗粒间的孔隙率，减小TiO2颗粒粒径，从而提高纳米晶多孔TiO2薄膜电极比表面积、膜的孔洞率，进而达到增加染料吸附量的目的。同时，对所制备的纳米晶TiO2粉体在不同温度下煅烧，确定了生成锐钛矿型纳米晶多孔TiO2导电薄膜的最佳煅烧温度。 其次，用Sol-Gel法制备了锐钛矿晶型的纳米晶多孔TiO2半导体电极。通过扫描电镜分析，进一步探讨了制备理想电极的条件。 最后，以降低染料成本，提高光谱吸收范围和吸光
3、度为目标，选择低成本的有机染料曙红Y、香豆素、玫瑰红进行双染料共敏化实验，证实了吸收光谱的拓宽和光吸收率的增加，最终确定了理想的共敏化染料。关键词 Sol-Gel法 染料敏化 锐钛矿 纳米级多孔TiO2目 录 绪论 4 第一章 太阳能电池 1.1 太阳能电池的工作原理5 1.2 太阳能电池的种类和研究进展6 第二章 DSSC的结构和基本原理 2.1 DSSC的结构7 2.2 DSSC的基本原理8 2.3 基本概念9 第三章 纳米晶TiO2膜电极 3.1 纳米晶TiO2膜 10 3.2 晶型和粒径可控的纳米TiO2的制备11 3.3 纳米TiO2多孔膜的制备12 3.4 电极的表面修饰 13 第
4、四章 染料敏化剂和电解质 4.1 染料敏化剂 14 4.2 电解质 16 第五章 论文的研究内容和目标 19 致谢21 参考文献 22研究染料敏化纳米晶太阳电池绪论太阳能电池的基本原理是某些物质被光照射时其电子的运动加剧；若引导这些电子流经一电路中的电位，即可得到电能。而所谓DSSC染料敏化太阳能电池，其基本设计是用奈米尺寸的金属氧化物半导体的颗粒，以化学方法使其表面吸附染料分子，再将这种颗粒涂布在电池电路的阳极上做为感光层；在感光层和阴极之间则加上一层电解质帮助导电。基于这样的设计所制成的电池即所谓染料敏化太阳能电池(DSSC)。染料敏化太阳电池是属于第三代的有机太阳电池，具有低成本与矽薄膜
5、太阳电池能源转换效率相近的特性。这是因为它选用的原料成本低加上制程容易与简单的制程设备，可有效的降低太阳电池发电成本至所预测的U$0.2/Wp。1991年第一个高效率染料敏化太阳电池由Prof. M. Gra.tzel於Nature上发表8 %的能源转换率后，近来其光电转换效率更提高到11.18 % AM1.5，第三代分子级仿生太阳电池于是成为再生能源的主要研发方向之一。此外染料敏化太阳电池不仅成本低廉，仅约传统矽基材太阳电池成本的1/51/10（视制程与有机材料成本而定），对于商业化推展有相当大的助益，且不受日照角度的影响，加上吸收光线时间长，在相同时间的发电量甚至优于矽晶太阳能电池。此外，
6、矽晶太阳能电池在高温时的发电效率，也会大打折扣，因此安裝在较高纬度（天气较冷）地区的成效也比较好，至于染料敏化太阳能电池则是不受温度影响，因此在日照充足、气温炎热地区，竞争力也会优于矽晶太阳能电池，另一项特点是染料敏化太阳能电池具有半透明（Semitransparent）的特性，因此适合于建材化（特別是建筑窗材）的整合，相当适用于需要大量空调与照明电力负载的现代化玻璃帷幕大楼，同时作为遮阳、绝热及发电利用的功能，达到建筑物节能与产能的双重能源效益，极可能成为下一世代广泛应用的太阳能利用技术，染料敏化太阳电池之应用市场可说相当广泛，未来于建筑屋顶、外墙发电用途，及家电、可攜式电子产品(如电子计算
7、机、手表、电子字典、手机、NB电脑)等市场商机潜力庞大。 比照太阳能电池，DSSC染料敏化太阳能电池有不少的优点，如下: 其一，感光颗粒涂布在阳极上的厚度仅约在微米尺度。而且奈米颗粒分布的方式使得感光层的有效受光表面积约变为电极表面积的100 倍，因此能以极少量物质达到很大的吸光效率。 其二，制造感光颗粒，只需將半导体顆粒浸泡在含染料的溶液中，再用惰性气体风干即可；涂布在阳极表面上的平整度也没有特別要求，制程简单又便宜。 其三，一般染料在可见光范围的吸收波段相当大，因此符合以同一元件利用大波段阳光的要求。 其四，DSSC 感光的效率极高。 因此DSSC在转换光能与电能的时候，具有成本低、效率高
8、、制作简易以及可塑性高等优势，是很有希望将损耗降至甚低的元件。 第一章 太阳能电池能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。传统的能源媒,石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外,由此所带来的环境污染,也正在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内,太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源,不产生任何的环境污染,且基本上不受地理条件的限制,因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应,进行质能转换,向宇宙辐射的总功率约为3*1023kW,投射到地球大气层之前的功率密度约为1135kW/m2。太阳光进入大气层后,虽然大气成分和
9、尘埃颗粒的散射以及太阳光中的紫外线被臭氧，氧气和水蒸气吸收,但到达地表的功率密度仍有很大。如果太阳辐射维持不变,则太阳半衰期寿命还有7*1012年以上,可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地2/3以上地区的年日照时数大于2000h,太阳能相当丰富。目前,太阳能的利用主要有太阳能电池发电和太阳能热水器制热。而在一些名胜古迹和公园已经可以见到太阳能路灯了,为家庭住宅提供能源的太阳能发电系统(3kW)已经在发达国家作为示范工程而被推广,用太阳能电池提供动力的汽车和游艇也已经出现在人们的眼前。1.1太阳能电池的工作原理当表面蒸发一层透光金属薄膜的半导体薄片被光照射时，在它的另一侧和金属膜之
10、间将产生一定的电压，这种现象称为光生伏打效应，简称光伏效应。能将光能转换成电能的光电转换器叫太阳能电池，在半导体 结上，这种光伏效应更为明显。因此，太阳能电池都是由半导体 结构成的，最简单的太阳能电池由一个大面积的 结构成，例如 型半导体表面形成薄的 型层构成一个 结（见图 1）。图1 结太阳能电池原理示意图太阳辐射光谱的波长是从0.3?m的近紫外线到几微米的红外线,对应的光子能量从4eV0.3eV左右。由半导体能带理论可知,只有能量高于半导体带隙宽度(Eg)的光的照射,才能激发半导体中杂质捕获的电子通过带间跃迁从价带跃迁到导带,生成自由电子和空穴对,电子和空穴向左右极化而产生电势差。因此,制
11、造太阳能电池的半导体材料的带隙宽度应在1.1eV1.7eV之间,由太阳光谱可知,最好是1.5eV左右。当光照在半导体上满足Eg，在 型和 型两区内，就会光激发产生电子空穴对。如果在一个扩散长度的范围内，这些被激发出来的电子或空穴，就都有可能在复合之前通过扩散运动到达 结的强电场区。半导体 结的界面附近，电荷积累形成的阻挡层（耗尽层）中有一个强电场，场强方向由 区指向 区。这样，在强电场的作用下，空穴由 区漂移到 区，而电子则由 区漂移到 区。这样被激发的自由电子和空穴分别向左右漂移, 将使 区带正电， 区带负电，从而产生光生电动势Vph,接上负载R就可产生光生电流Iph。1.2太阳能电池的种类
12、和研究进展太阳能电池可分为固体电池和液体电池。前者如硅太阳能电池,后者如半导体电解质太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。根据所用材料的不同,太阳能电池又可分为:(1)硅太阳能电池; 根据不同硅晶体材料可分成单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池有单晶硅(cSi)，多晶硅(ploySi)，非晶硅(aSi)；(2)无机化合物太阳能电池如砷化镓(GaAs)，铜铟镓硒(CuInGaSe)，碲化镉(CdTe)等;(3)有机/聚合物太阳能电池;(4)纳米晶太阳能电池等。尽管制作电池的材料不同,但其材料一般应满足以下几个要求:(1)半导体材料的禁带不能太宽;(2)要有较高的光电
13、转换效率;(3)对环境不造成污染;(4)便于工业化生产且性能稳定。而开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高转换效率和降低成本。由于目前市场上的太阳能电池产品硅太阳能电池制造成本过高,不利于广泛应用。而九十年代发展起来的染料敏化纳米晶二氧化钛(TiO2)太阳能电池（DSSC）的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能,已成为传统太阳能电池的有力竞争对手。其光电效率稳定在10%,制作成本仅为硅太阳能电池的1/51/10 ,寿命能达到20年以上。第二章 DSSC 的结构与工作原理太阳能发电是太阳能利用的重要领域之一,它具有高效、清洁、低成本的优势。1991 年瑞士学者Gratzel 等在Natu
14、re 上发表文章, 研制出了以过渡金属Ru的配合物作为染料的纳米晶膜TiO2太阳能电池, 其光电转换效率达到 7.1%-7.9%, 光电流密度大于 12 mA/cm2, 引起了世人的广泛关注. 目前, 染料敏化纳米二氧化钛太阳能电池的光电转换效率已达到了 11.18%. 且成本比硅太阳能电池大为降低,性能稳定,应用前景十分诱人。2.1 DSSC的结构染料敏化太阳能电池是由透明导电玻璃,TiO2多孔纳米膜,电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的”三明治”式结构(图2)其光电转换在几个界面完成: (1)染料和TiO2纳晶多孔膜组成的界面; (2)染料分子和电解质构成的界面; (3)电解质和对电极构成的界面。 图2 染料敏化纳米晶太阳电
