研究染料敏化纳米晶太阳电池.doc
《研究染料敏化纳米晶太阳电池.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《研究染料敏化纳米晶太阳电池.doc(24页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
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
15、面。 图2 染料敏化纳米晶太阳电池结构示意图在上图的结构中,染料敏化太阳能电池与传统P-N太阳能电池不同,它对光的捕获和电荷的传输是分开的。TiO2的禁带较宽,不能直接太阳的可见光,于是在上面附着一层对可见光吸收良好的染料作为光敏剂。其光电转换机理如图3所示,过程如下: (1) 太阳光(h?)照射到电池上,基态染料分子(D)吸收太阳光能量被激发,染料分子中的电子受激跃迁到激发态,染料分子因失去电子变成氧化态(D*)D+h? D* (染料激发) (2) 激发态的电子快速注入到TiO2导带中D*+ TiO2 e- (TiO2导带)+ 氧化态染料 (光电流产生) (3) 注入到TiO2导带中的电子在
16、TiO2膜中的传输非常迅速,可以瞬间到达膜与导电玻璃的接触面,并在导电基片上富集,通过外电路流向对电极;同时,处于氧化态的染料分子,由电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体(I-)提供电子而回到基态,染料分子得以再生氧化态染料+还原态电解质 D + 氧化态电解质 (染料还原) (4) 电解质溶液中的电子供体(I-)在提供电子以后(I3-),扩散到对电极,得到电子而还原氧化态电解质+e- (阴极) 还原态电解质 (电解质还原) (5) 注入到TiO2导带中的电子与氧化态的染料发生复合反应氧化态染料+e- (TiO2导带) D (电子复合) (6) 注入到TiO2导带中的电子与电解液中的I3-发生
17、复合反应氧化态电解质+e- (TiO2导带) 还原态电解质 (暗电流) 其中,反应(5)的反应速率越小,电子复合的机会越小,电子注入的效率就越高;反应(6)是造成电流损失的主要原因。 图3 DSSC光电转换机理2.3基本概念1.大气质量数对一个具体地理位置而言,太阳对地球表面的辐射取决于地球绕太阳的公转与自转、大气层的吸收与反射以及气象条件(阴、晴、雨)等。距离太阳一个天文单位处,垂直辐射到单位面积上的辐照通量(未进入大气层前)为一常数,称之为太阳常数。其值为1.338 kW?m-21.418 kW?m-2,在太阳电池的计算中通常取1.353 kW?m-2。太阳光穿过大气层到达地球表面,受到大
18、气中各种成分的吸收,经过大气与云层的反射,最后以直射光和漫射光到达地球表面,平均能量约为1kW?m-2。一旦光子进入大气层,它们就会由于水,二氧化碳,臭氧和其他物质的吸收和散射,使连续的光谱变成谱带。因此太阳光光谱在不同波长处存在许多尖峰,特别是在红色及红外区域上。现在通过太阳模拟器,在室内就能够得到模拟太阳光进行试验。在太阳辐射的光谱中,99%的能量集中在276nm 4960nm之间。 由于太阳入射角不同,穿过大气层的厚度随之变化,通常用大气质量(air mass,AM)来表示。并规定,太阳光在大气层外垂直辐照时,大气质量为AM0,太阳入射光与地面的夹角为90时大气质量为AM1。其他入射角的
19、大气质量可以用入射光与地面的夹角的关系表达,即 AM =1/cos 当太阳的天顶角为48.19时,为AM1.5。海平面上任意一点和太阳的连线与海平面的夹角叫天顶角。 一般在地面应用的情况下,如无特殊说明,通常是指AM1.5的情况。图4示出了AM1.5时的太阳光谱图 图4 AM1.5时的太阳光谱图2.入射单色光光电转换效率(IPCE)在不考虑导电玻璃电极的反射损耗情况下,定义为单位时间内外电路中产生的电子数目Ne与单位时间内的入射单色光光子数目Np之比,即IPCE=Ne/Np 在实际应用中,IPCE通常通过以下公式计算: IPCE=1250*Isc/*Pin这里,Isc表示单色光照射下染料敏化纳
20、米晶电极所产生的短路光电流密度,单位采用A?cm-2;表示入射单色光的波长,单位采用nm; Pin表示入射单色光的光强,单位采用W?m-2。在染料敏化纳米晶薄膜太阳电池中,IPCE与入射光波长之间的关系曲线称为光电流作用谱。3.J-V曲线 光电流作用谱反映了染料敏化纳米晶半导体电极在各波长处的光电转化情况,它反映了电极在不同波长处的光电转化能力。而表征染料敏化纳米晶薄膜太阳电池性能好坏的最直接方法是测定电池的输出光电流-电压曲线即I-V曲线。从图中可以得出太阳电池性能的主要指标,如开路光电压(open-circuit voltage,Voc)、短路光电流密度(short-circuit pho
21、tocurrent density,Jsc)、填充因子(fill factors,FF)和光电转换效率global等参数。 4.开路光电压电路处于开路(即外电阻为无穷大)时的光电压称为开路光电压。 5.短路光电流密度电路处于短路(即外电阻为零)时产生的光电流称为短路光电流;单位面积短路光电流称为短路光电流密度。染料敏化纳米晶太阳电池的短路光电流密度对应于光电流作用谱中IPCE在可见光部分的积分面积。积分面积越大,则短路光电流密度越大。 5.填充因子电池具有最大输出功率时的电流密度Jopt和光电压 Vopt的乘积与短路光电流密度和开路电压乘积的比值。即FF=Jopt*Vopt/Jsc*Voc 6
22、.光电转换效率电池的最大输出功率Popt与输入光功率Pin的比值称为光电转换效率。即 Popt/Pin =Jsc*Voc*FF/Pin第三章 纳米晶TiO2膜电极纳米晶TiO2膜电极是整个太阳能电池的关键,其性能的好坏直接关系到太阳能电池的效率。3.1纳米晶TiO2膜TiO2 是一种价廉、无毒、稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料,它的吸收范围在紫外区,因此须进行敏化处理。为了提高光捕获效率和量子效率,可以将半导体二氧化钛纳米化、多孔化、薄膜化。这样的结构使TiO2 具有高比表面积,使其能吸附更多的单层染料分子,只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。另外,这种结构的电极,其
23、表面粗糙度大,太阳光在粗糙表面内多次反射,可被染料分子反复吸收,从而大大提高太阳光的利用率。在引入纳米晶膜电极之前,人们无法同时提高染料的光吸收率和光电量子效率,这严重制约了染料敏化太阳能电池的发展。虽说平板TiO2半导体电极在吸附单分子层染料后具有最佳的电子转移效率,但是由于平板电极的表面积很小,电极表面吸附的单分子层染料对光的吸收较差,最大只有百分之几,因此其效率大都在0.1 %以下;虽然在平板电极上进行多层吸附可以增大光的吸收效率,但在外层染料的电子转移过程中,内层染料起到了阻碍作用,降低了光电转化量子效率。直到1985 年Gra tzel 等首次将高表面积纳米晶TiO2 电极引入到染料
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 研究 染料 纳米 太阳电池
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【可****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【可****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。