本文關鍵詞：基于增強光吸收的DSSC電極修飾與光電性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：染料敏化太陽能電池(DSSC)以其低成本、無毒、壽命長及效率較高而成為新能源領域的研究熱點。然而常規(guī)DSSC的染料(如N719)只能對紫外及可見光區(qū)的光子進行捕獲(吸光帶邊700nm),并且在位于藍紫高能光區(qū)的吸光度也有待進一步提高。在紫外光的作用下,Ti O2粉體會產(chǎn)生大量的激子對,這使得DSSC中發(fā)生大量復合反應。而在紅外光區(qū)(占太陽光能量的43%)的吸收空白也成為了限制DSSC效率進一步提升的重要瓶頸。因此對太陽光中紅外光尤其近紅外光的利用以及復合反應的抑制成為了進一步提高DSSC光電性能的重要方法。對于上轉(zhuǎn)換材料在DSSC中的作用機理科研工作者們一直存在爭議。本論文以簡單、易制的2%Er,50%Yb-YF3為例子,通過表面光電壓譜、上轉(zhuǎn)換熒光光譜、單色光效率譜等多種方法研究了上轉(zhuǎn)換材料在DSSC光陽極中的作用機理。實驗結(jié)果表明上轉(zhuǎn)換材料和染料發(fā)生了熒光共振能量傳遞(Fr?ster resonance energy transfer,FRET)并且其傳遞效率遠高于光媒能量傳輸(Luminescence-media energy transfer,LET,其傳遞效率受上轉(zhuǎn)換材料低量子產(chǎn)率的限制而不夠高效)。除此之外,在實驗中還發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)使得上轉(zhuǎn)換材料與Ti O2形成共用晶格,并產(chǎn)生了一種類熒光共振作用,使得上轉(zhuǎn)換材料可以將激發(fā)態(tài)電子直接注入到Ti O2導帶中。通過上轉(zhuǎn)換修飾使得電池最高效率提高到6.76%,比空白DSSC提高了43.5%。而后我們研究了基質(zhì)和發(fā)光離子對FRET作用和電池性能提高的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著基質(zhì)的改變,Na YF4為基質(zhì)時上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度高于YF3,而當Ho3+為發(fā)光離子時其發(fā)光單色性更強,從而使得能量傳遞集中在高效的綠光FRET過程。因此電池性能排序為:DSSC(2%Ho,18%Yb-Na YF4)DSSC(2%Ho,18%Yb-YF3)DSSC(2%Er,18%Yb-Na YF4)DSSC(2%Er,18%Yb-YF3)。選用多金屬氧酸鹽(POM,同多酸:十鎢酸,DA;雜多酸:Si W11Co)修飾Ti O2,組裝DSSC,通過表面光電壓、紫外可見吸收光譜、Mott-Schottky曲線和開路電壓衰減譜等測試,分析了POM在DSSC中的作用機理:POM能夠增強DSSC位于可見光區(qū)尤其藍紫高能光區(qū)的能量吸收,起到類似共敏化的作用;POM還能夠吸收紫外光,從而抑制了復合的發(fā)生,使得電池性能有所增強。實驗表明十鎢酸修飾DSSC使得電池效率從7.59%提高到8.37%。而Si W11Co修飾DSSC使得短路電流密度大幅提高(11.01 m A cm-2→18.05 m A cm-2),電池光電轉(zhuǎn)換效率從5.2%提高到6.0%。將稀土元素引入到導電粉FTO(F摻雜Sn O2)中,制備UC-FTO上轉(zhuǎn)換納米粉體作為對電極材料組裝DSSC。UC-FTO粉體可以替代傳統(tǒng)DSSC中成本高昂的Pt對電極,從而明顯降低DSSC的成本(其成本約為Pt的1/20)。采用UC-FTO粉體作為DSSC的對電極,使得電池光電轉(zhuǎn)換效率提高到7.30%,相比以Pt為對電極的DSSC(6.69%),電池效率提高了9.12%。這種將上轉(zhuǎn)換性能引入到電池對電極中的策略被證明可行,不但能夠提高電池的性能,還能夠大幅降低電池的成本。
【關鍵詞】：染料敏化太陽能電池 上轉(zhuǎn)換 多金屬氧酸鹽 抑制復合 光譜增強
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O646.54;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-36
• 1.1 太陽能源及其利用14-15
• 1.2 染料敏化太陽能電池的發(fā)展15-30
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)及工作原理15-17
• 1.2.2 光陽極材料的種類及特點17-21
• 1.2.3 染料的發(fā)展21-25
• 1.2.4 對電極材料的發(fā)展25-28
• 1.2.5 電解液/電解質(zhì)材料的發(fā)展28-30
• 1.3 染料敏化太陽能電池效率的發(fā)展30-31
• 1.4 染料敏化太陽能電池目前存在的問題31-32
• 1.5 染料敏化太陽能電池光譜調(diào)節(jié)32-35
• 1.5.1 上轉(zhuǎn)換在DSSC中的應用33-35
• 1.5.2 多酸化合物在DSSC中的應用35
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容35-36
• 第2章 實驗材料和研究方法36-49
• 2.1 實驗儀器及材料36-38
• 2.1.1 實驗儀器36-37
• 2.1.2 實驗藥品37
• 2.1.3 實驗材料37-38
• 2.2 實驗部分38-43
• 2.2.1 Er, Yb-YF_3 制備38
• 2.2.2 Er/Ho, Yb-Na YF_4 制備38-39
• 2.2.3 十鎢酸修飾TiO_2 的制備39-41
• 2.2.4 Si W_(11)Co雜多酸負載TiO_2 的制備41-42
• 2.2.5 上轉(zhuǎn)換FTO納米粉體的制備42-43
• 2.2.6 DSSC的組裝43
• 2.3 主要表征手段和測試方法43-49
• 2.3.1 X射線粉末衍射43-44
• 2.3.2 掃描/透射電子顯微鏡44
• 2.3.3 紫外可見吸收光譜44
• 2.3.4 X射線光電子能譜44-45
• 2.3.5 表面光電壓譜45-46
• 2.3.6 入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率46-47
• 2.3.7 I-V曲線47
• 2.3.8 電化學阻抗譜47-49
• 第3章 上轉(zhuǎn)換修飾光陽極對DSSC光電性能的影響49-74
• 3.1 引言49
• 3.2 Er, Yb-YF_3 修飾光陽極對DSSC性能的影響49-64
• 3.2.1 Er,Yb-YF_3 晶相與形貌分析49-51
• 3.2.2 Er,Yb-YF_3 的組分分析51-52
• 3.2.3 Er,Yb-YF_3 的上轉(zhuǎn)換性能分析52-54
• 3.2.4 Er,Yb-YF_3 在DSSC中的作用機理分析54-59
• 3.2.5 Er, Yb-YF_3 修飾DSSC性能測試59-64
• 3.3 Er/Ho, Yb-Na YF_4 修飾光陽極對DSSC性能的影響64-72
• 3.3.1 Er/Ho, Yb-Na YF_4 晶相與形貌分析64-65
• 3.3.2 Er/Ho, Yb-Na YF_4 的組分分析65-66
• 3.3.3 Er/Ho, Yb-Na YF_4 的上轉(zhuǎn)換性質(zhì)研究66-67
• 3.3.4 基質(zhì)和發(fā)光離子種類對FRET作用的影響67-69
• 3.3.5 Er/Ho, Yb-Na YF_4 修飾DSSC性能測試69-72
• 3.4 本章小結(jié)72-74
• 第4章 多酸修飾光陽極對DSSC光電性能的影響74-99
• 4.1 引言74
• 4.2 十鎢酸改性TiO_2 對DSSC性能的影響74-90
• 4.2.1 十鎢酸改性TiO_2 的形貌及組成分析74-75
• 4.2.2 十鎢酸改性對TiO_2 光物理性質(zhì)的影響75-78
• 4.2.3 十鎢酸改性對TiO_2 光電性能的影響78-85
• 4.2.4 同多酸用量及離子交換對DSSC性能的影響85-90
• 4.3 雜多酸負載TiO_2 對DSSC性能的影響90-97
• 4.3.1 Si W_(11)Co負載TiO_2 形貌分析90-91
• 4.3.2 Si W_(11)Co負載TiO_2 光學性質(zhì)和光電性質(zhì)分析91-92
• 4.3.3 Si W_(11)Co修飾DSSC的性能測試92-97
• 4.4 本章小結(jié)97-99
• 第5章 上轉(zhuǎn)換對電極對DSSC光電性能的影響99-112
• 5.1 引言99
• 5.2 上轉(zhuǎn)換FTO納米粉體的晶相及形貌分析99-100
• 5.3 上轉(zhuǎn)換FTO的組分分析100-101
• 5.4 上轉(zhuǎn)換FTO粉體的上轉(zhuǎn)換性質(zhì)研究101-104
• 5.5 上轉(zhuǎn)換FTO對電解液再生的催化性能104-106
• 5.6 上轉(zhuǎn)換FTO在DSSC中的作用機理分析106-107
• 5.7 上轉(zhuǎn)換FTO組裝電池的光電性能測試107-110
• 5.8 上轉(zhuǎn)換FTO的成本估算110-111
• 5.9 本章小結(jié)111-112
• 結(jié)論112-114
• 創(chuàng)新點114
• 展望114-115
• 參考文獻115-129
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果129-132
• 致謝132-133
• 個人簡歷133

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