1、1毕业论文开题报告理论物理二氧化钛电极的低温制备及其在DSSC中的应用一、选题的背景与意义随着工业文明的迅速发展，能源短缺与环境污染愈发严重，太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源得到了人们的广泛重视。自从1954年，贝尔实验室成功得制备了人类第一个太阳能电池以后，太阳能电池的研究与应用拉开了序幕。染料敏化太阳能电池是当前纳米技术和光电转换材料研究的热点之一，其廉价的成本和简单的制作工艺以及稳定的性能，为人类廉价和方便的利用太阳能提供了更有效的办法。但是相比较于硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池的光电转换效率还有待提高。二氧化钛薄膜是染料敏化太阳能电池中的重要组成部分，负责承载染料并传输电子。
2、对于二氧化钛薄膜的优化，国内外已经进行了大量工作，有效的提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1在低温（150摄氏度以下）条件下制备二氧化钛电极，将其组装成染料敏化太阳能电池，测试电池的光电转换效率。2在浆料中添加适量的异丙氧醇钛，在气相环境下，以水蒸汽处理二氧化钛薄膜，影响二氧化钛的晶型和薄膜的形貌、孔隙度。将其组装成染料敏化太阳能电池，测试电池的光电转换效率。三、研究的方法与技术路线1熟练掌握用TIO2浆料制备TIO2薄膜的方法，制备出平整的TIO2薄膜。2组装染料敏化太阳能电池，对光电转换效率进行测量。3掌握在水蒸汽环境下处理二氧化钛薄膜的方法。4分
3、析“加入异丙氧醇钛”并且“在水蒸汽环境下处理薄膜”可以提高电池效率的原理。四、研究的总体安排与进度1201011201012阅读文献，翻译英文文献，撰写文献综述及开题报告。熟悉实验室的各项操作，理解实验原理，初步进行薄膜制备。2201012201103优化低温条件下的薄膜制备过程，提高太阳能电池的转换效率。23201103201104分析实验数据，撰写论文。五、主要参考文献1DZHANG,TYOSHIDAANDHMINOURA,LOWTEMPERATUREFABRICATIONOFEFFICIENTPOROUSTITANIAPHOTOELECTRODESBYHYDROTHERMALCRYSTA
4、LLIZATIONATTHESOLID/GASINTERFACE，ADVANCEDMATERIALS,2003,15,8148172DKIM,KLEE,PROY,BIBIRAJDAR,ESPIECKERANDPSCHMUKI,FORMATIONOFANONTHICKNESSLIMITEDTITANIUMDIOXIDEMESOSPONGEANDITSUSEINDYESENSITIZEDSOLARCELLS，ANGEWANDTECHEMIEINTERNATIONALEDITION,2009,48,932693293林红，低成本染料敏化太阳能电池的机遇和挑战，先进材料工业，2010,6,414张合，
5、卓清松，简淑华，陈韦安，电泳沉积法制备多层膜染料敏化太阳能电池，过程工程学报，2010,10,1135冯蕾，程永清，秦华宇，罗东卫，染料敏化TIO2太阳能电池的研究进展，材料开发与应用，2009,03,816王青，夏咏梅，何祖明，李新丽，乜伟，徐莺歌，染料敏化太阳能电池光阳极及其敏化研究进展，科技导报，2009,271,907王松，于忠臣，刘继伟，戴春雷，张雷，染料敏化太阳能电池柔性TIO2电极的研究进展，激光与光电子学进展，2010,47,0731018王仁博，胡志强，梁俏，周红茹，康姣，柔性染料敏化太阳能电池TIO2涂层电极的制备及性能研究，大连工业大学学报，2010,29,2019庄东填
6、，林红，李鑫，李建保，染料敏化太阳能电池中TIO2光阳极的包覆效果，硅酸盐学报，2010,38,184810李丽，张贵友，陈人杰，DORINAWALTHER，陈实，吴锋，染料敏化太阳能电池用TIO2薄膜电极的改性制备及光电化学性能，高等学校化学学报，2009,30,224711赵晓冲，杨盼，林红，李鑫，许晨阳，李建保，柔性染料敏化太阳能电池材料制备工艺参数的优化，硅酸盐学报，2009,38,2512肖尧明，吴季怀，李清华，谢桂香，岳根田，叶海峰，兰章，黄妙良，林建明，柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其应用，科学通报，2009,54,24253毕业论文文献综述理论物理二氧化钛电极的低温制备及
7、其在DSSC中的应用摘要染料敏化太阳能电池很好的弥补了硅基太阳能电池缺点，它具有原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势等特点，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。关键词能源,太阳能,可再生当今全世界都面临日益严峻的能源危机和环境危机。虽然在刚刚闭幕的哥本哈根世界气候大会上没能达成一项具有法律约束力的协议，但世界各国都在将节能减排作为重要任务已是不争的事实。作为负责任的大国，我国一直积极应对气候问题，计划到2020年，非化石能源占一次能源消费的比重达到15左右。太阳能是一种清洁、无污染，安全可靠，
8、几乎取之不尽的能源，并且分布范围广布全球。对太阳能的利用在全球范围内都是研究热点。目前主流的光电转换器件是硅系太阳能电池，虽然硅太阳能电池具有光电转换效率高，性能稳定等优点，但是在硅太阳能电池（PN结电池）中，光生电子和电子的传输都要依靠硅基来完成，容易导致电子的复合。要减少电子复合就必须制备高纯度的硅，这就导致了硅太阳能电池工艺复杂、成本较高，并且在制造过程中就需要先消耗大量能量。染料敏化太阳能电池（DSSC）是第三代太阳能电池，DSSC的研究最早于瑞士GRATZEL教授在1991年取得突破。GRATZEL教授领导的研究小组把平板电极改换成纳米多孔电极，并组装成染料敏化纳米晶太阳能电池DSS
9、C，电池的光电效率转换达到了71，为DSSC的研究开辟了新天地。在染料敏化太阳能电池（DSSC）中染料受光激发产生电子，电子通过N型宽禁带半导体（TIO2）传输。光生电子和电子传输的功能分别由染料和TIO2来完成，这种结构本身就大大减少了电子复合，对宽禁带半导体（TIO2）的纯度要求不高。所以DSSC的原料广泛、成本低廉、工艺简单，有望成为传统硅系太阳能电池的替代产品。现已有欧美KONARKATECHNOLOGIES,G24INNOVATIONS等公司的商业化产品面世。虽然已有商业化的DSSC面世，但是其光电转换效率和硅系太阳能电池相比还存在差距。如果在具有成本优势的基础上，能进一步提高DSS
10、C的光电转换效率，将极大增强DSSC的商业竞争力。染料敏化太阳能电池（DSSC）主要由TIO2电极、电解质、染料、对电极等组4成。其中TIO2电极起着负载染料、传输电子的任务，是DSSC中的关键部件。TIO2粒子的晶型、粒径、形状等因素都会影响TIO2电极的性能，进而影响DSSC的光电转换效率。在DSSC研究领域一直有众多研究人员致力于TIO2电极的优化，探求TIO2粒子的晶型、粒径、形状等因素和TIO2电极性能之间的对应关系，这些研究对DSSC的研究、制造都将产生重要的推动作用。二氧化钛电极的低温制备，2003年,DZZHANG等采用水热法制备了柔性电极。具体方法是将纳米TIO2粉末P25加
11、入到TICL4,TIOSO4或TIOIPR4的冰水溶液中,在玛瑙研钵中研磨或电磁搅拌后得到粘滞的糊状液,将此糊状液涂覆在ITOPET面上。然后将ITOPET放入带有高压釜中进行水热处理。2005年,李成玉等将TIO2薄膜放于盛满蒸馏水的非密闭容器中,在100下加热4H后从水中取出。所得电池的光电转换效率为19,但低于在高压釜中所得薄膜电极的光电性能。2008年CYJIANG等用低温水热法制备出了阵列式的ZNO纳米线薄膜。他们发现纳米线之间的缝隙能有效地释放弯曲应力,基板在弯曲半径小至2MM时仍不会脆裂。以ZNO纳米线薄膜和镀PT/ITO/PET组成的DSSC在弯曲下仍保有原本的光伏特性,电池效
12、率为19。此种方法操作简便，节约能源，成本低，成膜快，沉积膜厚度在较大范围内均匀可控等优点，而且特别适用于柔性TIO2纳晶多孔薄膜电极的低温制备，从而可以避免高温烧结对柔性导电基底的破坏。所制备的TIO2纳晶多孔薄膜电极可应用于染料敏化太阳能电池及光电催化电极等领域。当然还有其他的很多种方法可以达到预期的效果。由于柔性DSSC具有价格低廉、制作简单、重量轻和可弯曲的优点,更能满足设计和应用需求。柔性DSSC电极的研究起步较晚,大都集中在2000年以后,主要由日本、美国、中国、韩国、瑞典和芬兰等少数几个国家在研究,但研究进程十分迅速,其中日本的研究工作十分突出。目前,影响电池效率的主要因素是基体
13、与TIO2薄膜的结合力较差,导致光生电子在这个界面大量湮没采用的基体大多是透光率较差的PETITO,降低了电池对太阳光的利用率,导致电池光电转换效率较低。因而,柔性DSSC还需要做大量的研究工作才能充分发挥其应用潜力。一方面,由于柔性电极组成的DSSC光电效率普遍较低,因此只有提高柔性电极的光电性能才能满足DSSC的实际应用需要。另一方面,目前柔性电极缺乏长期的稳定性,因此还需提高柔性电极的稳定性和寿命等性能。虽然柔性DSSC的效率还无法与传统DSSC相比,柔性DSSC还是凭借其特有的优势得到全球科研人员的关注,并正在逐步发展成熟起来。若柔5性电极能在效率和稳定性上取得突破进展,将会对DSSC
14、的实际应用产生深刻影响。参考文献1DZHANG,TYOSHIDAANDHMINOURA,LOWTEMPERATUREFABRICATIONOFEFFICIENTPOROUSTITANIAPHOTOELECTRODESBYHYDROTHERMALCRYSTALLIZATIONATTHESOLID/GASINTERFACE，ADVANCEDMATERIALS,2003,15,8148172DKIM,KLEE,PROY,BIBIRAJDAR,ESPIECKERANDPSCHMUKI,FORMATIONOFANONTHICKNESSLIMITEDTITANIUMDIOXIDEMESOSPONGEAND
15、ITSUSEINDYESENSITIZEDSOLARCELLS，ANGEWANDTECHEMIEINTERNATIONALEDITION,2009,48,932693293林红，低成本染料敏化太阳能电池的机遇和挑战，先进材料工业，2010,6,414张合，卓清松，简淑华，陈韦安，电泳沉积法制备多层膜染料敏化太阳能电池，过程工程学报，2010,10,1135冯蕾，程永清，秦华宇，罗东卫，染料敏化TIO2太阳能电池的研究进展，材料开发与应用，2009,03,816王青，夏咏梅，何祖明，李新丽，乜伟，徐莺歌，染料敏化太阳能电池光阳极及其敏化研究进展，科技导报，2009,271,907王松，于忠臣，刘
16、继伟，戴春雷，张雷，染料敏化太阳能电池柔性TIO2电极的研究进展，激光与光电子学进展，2010,47,0731018王仁博，胡志强，梁俏，周红茹，康姣，柔性染料敏化太阳能电池TIO2涂层电极的制备及性能研究，大连工业大学学报，2010,29,2019庄东填，林红，李鑫，李建保，染料敏化太阳能电池中TIO2光阳极的包覆效果，硅酸盐学报，2010,38,184810李丽，张贵友，陈人杰，DORINAWALTHER，陈实，吴锋，染料敏化太阳能电池用TIO2薄膜电极的改性制备及光电化学性能，高等学校化学学报，2009,30,224711赵晓冲，杨盼，林红，李鑫，许晨阳，李建保，柔性染料敏化太阳能电池材
17、料制备工艺参数的优化，硅酸盐学报，2009,38,2512肖尧明，吴季怀，李清华，谢桂香，岳根田，叶海峰，兰章，黄妙良，林建明，柔性染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其应用，科学通报，2009,54,24256本科毕业设计（20届）二氧化钛电极的低温制备及其在DSSC中的应用摘要【摘要】用P25二氧化钛浆料，在低温（150摄氏度以下）条件下制备二氧化钛电极，将其组装成染7料敏化太阳能电池。在浆料中添加适量的异丙氧醇钛，在气相环境下，以水蒸汽处理二氧化钛薄膜，影响二氧化钛的晶型和薄膜的形貌、孔隙度，将其组装成染料敏化太阳能电池。应用数字源表（吉时利2400）测量了电池的各项性能，发现经过添加异丙氧
18、醇钛的电极，其短路电流密度、开路电压、光电转换效率均有提高。【关键词】染料敏化太阳能电池；二氧化钛薄膜；异丙氧醇钛；低温气象水浴；DSSC性能；【ABSTRACT】WITHTHEP25TITANIUMDIOXIDEPULP,，BELOW150DEGREESCELSIUSUNDERTHECONDITIONPREPARESTHETITANIUMDIOXIDEELECTRODEINTHELOWTEMPERATURE,ASSEMBLESTHEDYESENSITIZATIONSOLARCELLITINCREASESTHERIGHTAMOUNTISOPROPYLALCOHOLTITANIUMOXYGEN，
19、UNDERTHEGASPHASEENVIRONMENT,BYTHESTEAMPROCESSINGTITANIUMDIOXIDETHINFILM,AFFECTSTHETITANIUMDIOXIDETHECRYSTALANDTHETHINFILMAPPEARANCE,THEPOROSITY，ASSEMBLESTHEDYESENSITIZATIONSOLARCELLITTHEAPPLICATIONDIGITSOURCETABLEAUSPICIOUSTIMEADVANTAGE2400HASSURVEYEDBATTERYSEACHPERFORMANCE,DISCOVEREDHASPROCESSEDTHE
20、ELECTRODEAFTERTHESPINCOATSOLANDTHETITANIUMTETRACHLORIDETITANIUM,ITSSHORTCIRCUITCURRENTDENSITY,THEOPENCIRCUITVOLTAGE,THEELECTROOPTICTRANSFEREFFICIENCYHASTHEENHANCEMENT。【KEYWORDS】DYESENSITIZATIONSOLARCELLTITANIUMDIOXIDETHINFILMISOPROPYLOXYGENALCOHOLTITANIUMLOWTEMPERATUREMETEOROLOGICALBATHSDSSCPERFORMA
21、NCE；8目录摘要6目录81引言911背景912当今社会能源现状913太阳能的优势914染料敏化太阳能的发展现状1015染料敏化太阳能的机遇和挑战112染料敏化太阳能电池的基本原理和制备方法1321DSSC的结构及其工作原理1322染料敏化太阳能电池各部件发展现状153实验1731实验117311实验仪器及材料17312染料敏化太阳能的制备1832实验21933实验数据处理204结论23参考文献24致谢错误未定义书签。91引言11背景能源是人类社会存在和发展的物质基础。当今社会，能源和环境问题已经成为困扰人类社会进步和发展的重大课题。自从英国工业革命以来，以煤炭、石油和天然气等化石燃料为一次能
22、源的供能系统极大地促进和推动了世界各国的经济发展。但与此同时，大量使用化石燃料所带来的严重后果资源枯竭、环境污染、生态资源破坏等。12当今社会能源现状自从20世纪70年代发生能源危机以来，人类探寻一种新的、清洁、安全可靠的可持续能源系统，世界各国对新能源与可再生能源日益重视，不断加大人力和物力的投入力度，促进了新能源与可再生资源利用技术和装置的研发，加快了新能源与可再生资源的商业化进程。进入21世纪，我国的能源问题，尤其是石油问题，也变得日益严重。我国的矿物能源储量比较丰富，但是人均能源资源却只有世界人均能源资源的二分之一左右。二十多年来，我国经济快速、持续发展，其发展速度与质量为世界所瞩目。
23、但同时又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战，目前我国已经世界第二大石油进口国，能源问题十分紧迫。坚持节能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元化发展；加强环境保护，开展煤清洁化利用；采取综合措施，保障能源安全；依靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源等，是我国长期的能源发展战略。13太阳能的优势太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。太阳能作为一种新能源和可再生能源，与煤炭、石油、天然气、核能等比较，有其独具的特点。太阳能非常普遍，处处都有；太阳能不会污染环境，没有公害；太阳能取之不尽，用之不竭；太阳能非常巨大，一年内到达地面的太阳辐射能的总量，要比地球
24、上现在每年消耗的各种能源的总量大几万倍，每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳。人类对太阳能的利用有着悠久的历史，我国早在两千多年前的战国时期就知道利用铜制凹面镜聚焦太阳光来点火；现在，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光化学利用，10太阳能的光电利用、太阳能的热利用以及光生物质能得利用等。在高科技的支持下，可以期望太阳能将成为21世纪的最主要的能源之一。而太阳能电池必将成为利用太阳能的主力科技。14染料敏化太阳能的发展现状从二十世纪五十年代太阳电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏工业已经走过
25、了近半个世纪的历史。由于太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，光伏能源被认为是21世纪最重要的新能源。自从1954年，贝尔实验室成功得制备了人类第一个太阳能电池以后，太阳能电池的研究与应用拉开了序幕。传统的硅基太阳能电池占了世界太阳能电池展业的80。到目前为止，以晶体硅制备的太阳能电池是应用最广泛的光伏产品，其最高的光电转化效率可以达到20。正是由于其高效的电池转化效率，晶体硅大概占当前世界光伏产品90的市场份额，在大规模应用和工业生产中占据主导地位。但由于受晶体硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使晶硅太阳能成
26、本很高，要想大幅度降低其成本是非常困难的。开发低成本光电活性材料,对充分利用太阳能资源有重要意义。进入21世纪以来，以铜铟镓硒CIGS和非晶硅薄膜为主的第二代薄膜太阳能电池开始渐渐扩大市场份额，由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展。非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，以及高污染等缺点也直接影响了它的实际应用。近两年来，以染料敏化太阳能电池（DSSC为代表的第三代太阳能电池技术也渐渐成熟，因为其制造过程简单，设备成本和原料成本都相对较低，因此在未来太阳能电
27、池发展中具有很大的发展空间。自染料敏化太阳能电池DSSC问世以来,经过多年的发展,其光电转化效率已高达11,但是其衬底多为玻璃,质量重、易破碎等缺点限制了其商业上的开发应用。柔性染料敏化太阳能电池采用透明导电ITO/PEN或ITO/PET制作导电性塑料薄膜基板，因此具有重量轻、挠性好、抗冲击、成本低、可进行各种形状或表面设计等优点,可采用成卷连续生产、快速涂布等技术,便于大面积生产,降低生产成本,具有更强的竞争力,成为近年DSSC研究的新热点。但是塑料薄膜基板温度高于150将使塑料基板变形、失透,因而传统的二氧化钛在玻璃基板上烧结高于400的方法在柔性太阳能电池中无法采用,柔11性太阳能电池制
28、备的关键之一是二氧化钛的低温成膜。目前,柔性染料敏化太阳能电池的光电转换效率大多停留在2左右。虽然光伏电池问世以来，晶体硅作为基本的电池材料一直保持着主导地位，是目前国际光伏市场上的主流产品，但这种格局在未来20年中可能会发生改变。国际权威机构德国肖特太阳能有限公司预测，到2030年，晶体硅太阳能电池将不再是占绝对主力的太阳电池类型，染料敏化太阳能电池将取而代之。作为新概念低价太阳能电池，柔性染料敏化太阳电池将可能会与硅基太阳能电池和薄膜太阳能电池均分市场。15染料敏化太阳能的机遇和挑战自从DSSC太阳能电池在实验室研究取得突破以来,它的研究引起了极大关注,到目前为止已经取得很大进步,我国在D
29、SSC的研究上也达到了世界先进水平。例如中科院等离子体物理研究所戴松元研究小组已成功制备出光电转换效率接近6的15CM20CM及40CM60CM的电池组件。染料敏化太阳能的优点很多，比如1寿命长使用寿命可达1520年；2结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；3制备电池耗能较少，能源回收周期短；4生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/51/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。5生产过程中无毒无污染；6应用范围极广泛如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化；可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化；另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。在太阳能电池技术竞争激烈的情况下，如果
30、不能尽快提高光电转换效率、稳定性等参数，立刻就会被淘汰，这也是染料敏化太阳能电池所面临的严重挑战。因此，开发新材料、新技术，尽快提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率和长期稳定性，将是未来几年世界研究者也是中国研究者的重要任务。完成这一任务需要国家政策全面支持该行业的研发工作，还需要国内企业资金的大量投入。可以相信，在未来几年内，世界范围内将会有更加成熟的染料敏化太阳能电池商品问世。到时候，多姿多彩的太阳能电池集实用性与装饰性为一体，将使我们的房屋上不再是单一的黑色太阳能电池板，而撞入眼帘的一片“彩色森林”，完全有可能是一座染料敏化太阳能电池发电站。总之,DSSC具有低的成本,简单的制作工艺,这
31、是其它种类的太阳能电池无法比拟的,虽然目前还存在一些问题,但随着技术的不断进步,其良好的应用前景必将凸现出来,必将走向实用化,这将有助于解决人类的能源需求。12132染料敏化太阳能电池的基本原理和制备方法21DSSC的结构及其工作原理染料敏化纳米晶太阳能电池主要由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜（如TIO2，ZNO，NB2O5，SNO2等一系列宽禁带半导体材料）、敏化剂分子、电解质和对电极构成（如图1），其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜构成光阳极。从结构看，DSSC就像人工制作的树叶，植物中的叶绿素为敏化剂所代替，而纳米多孔半导体膜取代了磷酸类酯膜。图1
32、染料敏化太阳能电池结构图最具代表性的染料敏化太阳能电池是GRATZEL电池，其工作原理如图2中实线箭头所示。由于锐钛矿型TIO2的带隙为32EV，可见光不能将它激发，因而在TIO2表面吸附一层对可见光吸收特性良好的敏化剂。在可见光作用下，敏化剂分子通过吸收光能跃迁到激发态，由于激发态的不稳定性，敏化剂分子与TIO2表面发生相互作用，电子很快跃迁到较低能级的TIO2导带；进入TIO2导带的电子将最终进入导电膜，然后通过外回路，产生光电流。同时，处于氧化态的染料分子被电解质中的碘离子I还原回到基态，而I被氧化为I3；I3很快被从阴极进入的电子还原成I，构成了一个循环。从工作原理看，DSSC就像太阳
33、光驱动的分子电子泵，在阳光的照耀下，可以源源不断地对外供电。GRATZEL电池的实际工作过程如图1所示，各个过程的意义是（1）是可见光激发染料敏化剂S的过程；（2A）是处于激发态的染料S将电子注入到TIO2导带CB的过程，同时处于激发态的染料分子S可能通过热辐射回到基态S如（2B）所示；（3）是注入TIO2导带的电子ECB（TIO2）进入导电膜，通过外回路，产生光电流的过程，与此同时，电池内部也在进行着染料敏化剂14S的还原和电解质（由碘盐（NAI，KI等）、碘按比例混合构成）的还原，构成循环，从而持续对外供电；其中敏化剂S的还原是电解质还原敏化剂（3A）和氧化态的敏化剂分子S与TIO2导带中
34、的电子ECB（TIO2）的复合（3B）竞争的过程；电解质的还原过程是阴极进入的电子E（CATALYST）还原氧化态的电解质I3的过程（4A）和氧化态的电解质I3与TIO2导带中的电子ECB（TIO2）的复合的过程（4B）竞争的过程。具体各过程可用表示如下。SHS（1）STIO2SECBTIO2（2A）SS（2B）2S3I2SI3（3A）SECBTIO2STIO2（3B）I32ECATALYST3I（4A）I32ECBTIO23ITIO2（4B）所以要尽量提高太阳能电池的转换效率就必须尽量抑制（2B）（3B）（4B）的发生，这是光阳极研究和改进重点所在。15图2太阳能敏化电池的工作原理FIG2W
35、ORKINGPRINCIPLEOFDYESENSITIZEDTIO2SOLARCELL22染料敏化太阳能电池各部件发展现状光阳极材料光敏材料敏化的半导体光阳极对该电池的性能起到至关重要的作用，成为目前研究的热点。敏化的二氧化钛电极是染料敏化太阳能电池的关键部分，可以说其性能直接关系到太阳能电池的总效率。染料敏化太阳能电池中，二氧化钛光阳极所用的纳米晶薄膜分为致密二氧化钛薄层、纳米多孔结构二氧化钛薄膜，其中致密薄膜是早期染料敏化太阳能电池中二氧化钛光阳极所采用的，因其吸附染料效率低，后来少被采用，纳米多孔结构二氧化钛薄膜在目前染料敏化太阳能电池中二氧化钛光阳极采用极为广泛。光阴极材料阴极在染料敏
36、化太阳能电池中也发挥着重要的作用。在实际工作中，染料敏化太阳能电池由于有电流通过阴极，产生极化现象，形成超电势，引起电势的损失，降低了电池的性能。因此，阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采用不同方法镀上石墨、铂16或导电聚合物等不同材料，其中镀铂的效果较好。电解质由于液态电解质在封装上的技术困难，人们开发了无机半导体体系的固态电解质、有机空穴传输材料和高分子电解液体系等。与液态电解质相比，固态染料敏化太阳能电池敏化剂的氧化还原电位，可以和空穴导体的工作函数更好的匹配，所以固态染料敏化太阳能电池获得的UOC值很高，可以达到接近1V。以固态电解质取代液态电解液应用于染料敏化太阳能电池，可以提高和
37、改善电池的长期稳定性。敏化剂敏化剂吸收太阳光产生光致分离，它的性能直接决定太阳电池的光电性能。新的敏化剂使吸收长波的能力增加，并且具有很高的光学横断面和吸收近红外光的能力。按其结构中是否含有金属原子或离子，敏化剂分为有机和无机两大类。无机类敏化剂包括钌、锇类的金属多吡啶配合物、金属卟啉、金属酞菁和无机量子点等；有机敏化剂包括天然染料和合成染料。23衡量太阳能电池的几个重要的参数231大气质量由于太阳入射角不同，穿过大气层的厚度随之变化，通常用大气质量来表示。并规定，太阳光在大气层外垂直辐照时，大气质量为AMO太阳入射光与地面的夹角为90时大气质量为AM1其他入射角的大气质量可表示为AM1/CO
38、S232开路电压（OPENCIRCUITVOLTAGE,VOC）是指电路处于开路即外电阻为无穷大时的光电压。染料敏化纳米晶太阳电池的开路光电压取决于大能隙半导体的FERMI能级和电解质中氧化还原电对的能斯特电势之差233短路光电流密度SHORTCIRCUITCURRENTDENSITY，JSC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，短路光电流密度越大。234填充因子（FILLFACTOR,FF）定义为电池具有最大输出功率时的电流密度J
39、OPT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。1OCFEMIRRVQEE17235光电流转换效率是指电池的最大输出功率PMAX与入射光光强PIN的比值，即236入射单色光光电转换效率（IPCE）ISC表示单色光照射下染料敏华纳米晶电极所产的短路光电流密度，PIN表示入射单色光的光强。24DSSC的柔性电极的制备方法20世纪90年代末期，人们开始尝试以柔性导电高分子聚合物作基底制备TIO2薄膜电极，这种柔性电极具有耐冲击性能好、重量轻、可随意变形、易大面积加工和制备成本低等优点。目前制备柔性电极的方法主要包括水热法、微波辐射法、机械压膜法、沉积法、溅射法和低温烧结等。本实验采
40、用的是水热法。目前影响电池效率的主要因素是基体与TIO2薄膜的结合力较差,导致光生电子在这个界面大量湮没采用的基体大多是透光率较差的PETITO,降低了电池对太阳光的利用率,导致电池光电转换效率较低。由于柔性电极组成的DSSC光电效率普遍较低和柔性电极缺乏长期的稳定性，柔性DSSC的效率还无法与传统DSSC相比。3实验31实验1在低温（150摄氏度以下）条件下制备二氧化钛电极，将其组装成染料敏化太阳能电池，测试电池的光电转换效率。311实验仪器及材料实验材料如下P25浆料（自制）、导电玻璃（NSG公司FTO面电阻小于16欧，透光率18大于84）、四氯化钛水溶液、对电极（自制，导电玻璃上磁控溅射
41、PT）、恒温烘箱（上海一恒科技有限公司DHG9075A）、SCIB型匀胶机、行星式球磨机（QMISP2CL）、KQ5200型超声波清洗器、电解液（05MLII,004MI2和05M四丁基吡啶的碳酸丙烯酯溶液）、异丙氧醇钛。测试仪器采用数字源表（吉时利2400）测量电池的IV曲线；使用畅拓CHFXM500W光源，提供一个太阳的光强，没有经过滤光片拟合太阳光。312染料敏化太阳能的制备3121浆料的配置称取5GP25,18ML无水乙醇，放入行星式球磨机（QMISP2CL），球磨6H，280转/分钟。3122二氧化钛薄膜的制备（涂膜水浴）取实验所需的导电玻璃，用酒精超声清洗若干次，再用电吹风由上往下
42、将玻璃吹干。取所需的导电玻璃放置的大的玻璃片上，将其固定。方法用胶带纸将上下两侧大概的面积用胶带纸覆盖住。玻璃边缘粘三层胶带纸。以DOCTORBLADE法，也即传说中的刮涂法制备8层膜厚度的二氧化钛薄膜。待其干后，做上标记，将所涂膜的玻璃切小，放入高压釜中。在高压釜的内容器放入支架，使制备好的二氧化钛膜在后续的处理过程中不被水浸没，而影响膜的效果。往内容器中加入20ML蒸馏水，装置好高压釜，放置在恒温烘箱内，在150的环境下，烘烤12小时。3123敏化二氧化钛薄膜将处理过的的导电玻璃取出放入培养皿中，用乙醇冲洗。然后放在恒温烘箱中将玻璃片有膜的面朝上，且不相叠，在摄氏度中保持分钟，然后快速将燃
43、料倒入培养皿中，使染料没过玻璃片。然后密封放入设置为恒温摄氏度的恒温箱中，小时。3124测量光电转换效率将使用过的染料回收，并用酒精清洗二氧化钛膜，烘干后进行光电转化效率的测试。将染料敏化的二氧化钛膜上滴加电解质并盖上镀PT的对电极，用夹子将两部分夹紧呈“汉堡式”。电解质由于毛细作用渗入二氧化钛多孔电极。本实验的氧化还原电解质采用05MLII,004MI2和05M四丁基吡啶的碳酸丙烯酯溶液。将组装好的DSSC放置于光源（畅拓CHFXM500W）之下，工作电极面对光源。使用遮光片遮盖工作电极，使光照下的面积为016平方厘米。使用数字源表（吉时利2400）测量电池的IV曲线，外加偏压为0802V。
44、通过硅电池校正光源强度，使测试一直在1个标准太阳下进行。DSSC的性19能指标主要包括短路电流JSC，开路电压VOC，填充因子FF和总光电转换效率等4个方面。JSC和VOC可以由JV曲线直接读出，填充因子FF和总光电转换效率可以用下式计算得到SCOCOPTOPTJVJVFF100PJV100PFFJV100PPINOPTOPTINSCOCINOPT上式的VOPT和JOPT为最大输出功率时对应的电压和电流，JSC和VOC可为电池的短路电流和开路电压，PIN为人射光强。3126实验数据分析短路电流JSC开路电压VOC光电转换效率填充因子FF未添加异丙氧醇钛8层膜055745051205018005
45、06308表1。未添加异丙氧醇钛，P25浆料涂膜8层的实验数据实验1让我们了解和熟悉染料敏化太阳能在水蒸气条件下的制备过程。32实验2在浆料中添加适量的异丙氧醇钛，在气相环境下，以水蒸汽处理二氧化钛薄膜，影响二氧化钛的晶型和薄膜的形貌、孔隙度。321燃料敏化太阳能的制备3211浆料的配置称取5GP25粉,18ML无水乙醇，放入行星式球磨机（QMISP2CL）中，球磨6H，280转/分钟。分别取3ML已经配置好的浆料放入小玻璃瓶中。在标有1的瓶中加入018ML异丙氧醇钛，在标有2的瓶中加入03ML异丙氧醇钛。3222二氧化钛薄膜的制备（涂膜水浴）取实验所需的导电玻璃，用酒精超声清洗若干次，再用电
46、吹风由上往下将玻璃吹干。取所需的导电玻璃放置的大的玻璃片上，将其固定。方法用胶带纸将上下两侧大概的面积用胶带纸覆盖住。玻璃边缘粘三层胶带纸。以DOCTORBLADE法，也即传说中的刮涂法层膜厚度的二氧化钛薄膜。在涂膜过程中发现，由于添加了异丙氧醇钛，浆料的浓度增加，加入异丙氧醇钛量越多，越不易成膜，容易开裂。经过几次试探性的涂膜后，发现在添加高于03ML异丙氧醇钛后的浆料不能进行涂膜，直接开裂，成粉末状；添加03ML异丙氧醇钛的浆料也仅仅只能涂膜4层，涂第5层开裂；添加018ML异丙氧醇钛的浆料只能涂膜6层，在涂第7层的时候也会出现开裂。出现这样的原因可能是，添加异丙氧醇钛后，浆料浓度变高，成
47、膜能力变差。待其干后，做上标记，将所涂膜的玻璃切小，放入高压釜中。在高压釜20的内容器放入支架，使制备好的二氧化钛膜在后续的处理过程中不被水浸没，而影响膜的效果。往内容器中加入20ML蒸馏水，装置好高压釜，放置在恒温烘箱内，在150的环境下，烘烤12小时。3123敏化二氧化钛薄膜以及光电转化效率的测试与实验1后续步骤一致。33实验数据处理短路电流JSC开路电压VOC光电转换效率填充因子FF0ML异丙氧纯钛05574505120501800506308018ML异丙氧纯钛10845506203250458725067482503ML异丙氧纯钛08211060550335606668表2添加了不同
48、浓度异丙氧醇钛的实验数据短路电流JSC开路电压VOC光电转换效率填充因子FF0ML异丙氧纯钛05574505120501800506308018ML异丙氧纯钛132435057022504763250624203ML异丙氧纯钛12068750582825045297506385表3添加不同浓度异丙氧醇钛的实验数据由表一可以看出，通过水热法制备的二氧化钛电极的光电转化效率并不是很高。而表二，表三，通过添加异丙氧醇钛以后，使染料敏化电池的效率有了很大的提高。在表2中可以看出，添加了018ML的异丙氧醇钛后，短路电流提高了945，开路电压也增加了212，光电转化效率改变就更高了高达155；添加03M
49、L异丙氧醇钛后，短路电流也增加了473，开路电压增加了183，光电转化效率增加了864。在表3中可以看出，添加了018ML的异丙氧醇钛后，短路电流提高了138，开路电压也增加了11，光电转化效率改变就更高了高达164；添加03ML异丙氧醇钛后，短路电流也增加了116，开路电压增加了138，光电转化效率增加了151。理论上，P25浆料的颗粒之间的间隙还是很大的，而添加异丙氧醇钛后，在气相环境下，异丙氧醇钛可以生成更小颗粒的二氧化钛，小颗粒的二氧化钛将会填充在P25的二氧化钛颗粒之间，使二氧化钛颗粒结合更加紧密并且增加了薄膜的表面积，从而在薄膜敏化过程中，二氧化钛薄膜吸附了更多的染料敏化剂，而染料敏化剂在DSSC中的作用就是吸收可见光,21将电子注入二氧化钛半导体薄膜中,并从电解质中接受电子,重新还原。当薄膜吸附更多染料敏化剂时，电池就吸收了更多的可见光，光照射下产生的电子增多，而提高了电池的光电转化效率。但是由于加入异丙氧醇钛以后的浆料浓度显著增高，在涂膜的过程中经常出现开裂的现象，所以添加剂的浓度将是该实验的关键。经过多次实验，发现当添加高于03ML异丙氧醇钛后，将无法进行涂膜，直接开裂，而03ML异丙氧醇钛
