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染料敏化太阳能电池中电极材料和寄生电阻的研究

周聪华  
【摘要】:染料敏化太阳能电池是一类新兴的光伏器件,具有光电转换效率高、成本低的优点,因此获得了科研工作者和企业界的广泛关注。为了进一步提高其光电转换效率,降低生产成本,并加深对该类电池工作原理的认识,本论文从三个方面着手开展研究。 一、铂/钛双层金属薄膜对电极。本论文借鉴半导体中常用的贵金属/金属钛结构,采用直流磁控溅射法在载玻片上沉积铂/钛双层薄膜以制备对电极。采用X射线、原子力显微镜以及扫描电子显微镜对其结构和表面形貌进行观察。采用四探针法、电化学交流阻抗、循环伏安以及紫外-可见光谱对其电学、电化学以及光学性能进行表征。研究发现,退火温度在600℃以下时,在单晶硅、掺F氧化锡以及非晶衬底上溅射沉积的金属钛薄膜为非晶结构。铂/钛双层薄膜中存在着Pt/Ti合金结构,这增强了对电极的抗腐蚀性能。随着薄膜厚度的增加,对电极的方块电阻和界面电荷传输电阻首先快速下降,然后变化较小。实验证明,对电极的催化效率与金属铂晶粒的尺寸以及对电极的电化学活性面积有关。小尺寸的金属铂晶粒具有更高的催化活性。当金属铂薄膜的厚度增加时,铂晶粒和电化学活性面积同步增加,二者的竞争使得对电极的催化活性变化不大。对电极的衬底表面经过喷砂处理以后,其粗糙度增加,对电极的电化学催化活性提高了一倍。 二、寄生电阻。寄生电阻是染料敏化太阳能电池中难以回避的问题。然而由于实验中难以制备出寄生电阻连续可变的电池,寄生电阻对于该类器件的影响尚不清晰。为此,本论文采用搭建电路的方法,将变阻箱与电池串/并联,以拟合在实际电池中存在的寄生串/并联电阻Rs/Rsh)。在电阻变化的同时,分别测试电池在暗态和光照下的电流-电压(Ⅳ)曲线。实验证实,寄生串/并联电阻(Rs/Rsh)对于电池的Ⅳ曲线和性能参数的影响与电池的特征电阻Rch有关。当Rs/Rch增加,或者Rsh/Rch减小时,电池的Ⅳ曲线从整流特性变成欧姆特性,同时电池的填充因子、光电转换效率快速下降。实验发现,该规律与传统的硅电池相同。这归因于染料敏化太阳能电池中存在的N型半导体/电解质界面具有和PN结相类似的伏安特性,即整流特性。提高电池性能,需要增加Rch和Rsh,同时降低Rs。此外,结合电化学阻抗分析可知,多孔薄膜与电解质界面的复合阻抗对于寄生并联电阻Rsh没有贡献。 三、水热法合成二氧化钛。水热法是染料敏化太阳能电池中合成二氧化钛纳米晶多孔薄膜时常用的方法。为了降低原料成本,本论文选用廉价的钛醇盐作为原料进行水热反应。采用X-射线衍射,粒度分析,透射电镜以及扫描电子显微镜等表征方法,我们依次研究了反应温度,表面活性剂乙酰丙酮、聚乙二醇的引入对于胶体中二氧化钛纳米晶粒的生长速率、晶体结构、表面形貌以及晶粒之间的团簇行为,以及多孔薄膜的表面形貌的影响。并采用水热合成的胶体制备多孔薄膜以及组装成电池,以探讨各种条件对于电池性能的影响。研究发现: 1,随着温度的升高,胶体中晶粒的尺寸依次增加。胶体中的粒径分布范围首先减小,然后变宽。当温度小于220℃时,胶体中由于存在大量的非晶相,使得晶粒之间形成较大的团簇。当温度高于220℃时,晶粒长大,大晶粒之间形成团簇。当温度在220℃时,胶体中的晶粒具有良好的分散性,而该条件下获得的电池的性能最优。我们认为,胶体分散性的提高有助于增加多孔薄膜的内表面积,从而提高电池的短路电流密度和光电转换效率。 2,在胶溶过程中,表面活性剂乙酰丙酮(AcAc)的引入抑制了钛醇盐的水解/缩聚反应和晶粒的生长。随着AcAc/Ti比例的增加,水热后胶体中纳米晶粒的平均尺寸首先依次减小,然后增加。引入AcAc后合成的纳米晶粒容易通过定向吸附作用形成“纳米链状”结构。测试电池性能后发现,一定程度的有序结构提高了电池的短路电流密度和光电转换效率。 3,加入聚乙二醇(PEG)进行共水热反应时发现,锐钛矿相晶粒的生长得到了有效抑制。随着PEG加入量的增加,其平均尺寸大小首先从20nm依次下降至10nm,然后变化不大。而当PEG的浓度超过一定值时,金红石相纳米线、孪晶等特定结构依次出现。我们认为PEG分子吸附在晶核表面,其空间位阻作用使得晶核之间难以通过定向吸附方式长大。因此晶核得以均匀生长。而PEG和非晶相的作用则诱导了金红石相晶核的形成。较低的PEG浓度有助于获得尺寸分散集中的纳米晶粒。使得电池(多孔薄膜厚度~6μm)的短路电流密度达到20mA/cm2,光电转换效率达到7.5%(AM1.5 G,100mW/cm2)。


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