论文总字数：25677字

摘 要

染料敏化太阳能电池(DSSCs)是一种成本低、制备工艺简单和相对较高的效率的新型太阳能电池。在电池中应用最广泛的TiO₂半导体材料对太阳能电池的光电性能有着重要的影响。基于以上，本论文的主要工作概括如下：

以异丙醇钛为钛源，二乙烯三胺(DETA)为表面活性剂，在异丙醇溶液中水解成TiO₂前驱体化合物，再通过水热合成TiO₂微球。该微球粒径在1.0µm-1.2µm范围内，处于亚微米级别。使用该样品制备DSSC，得到转化效率为6.36%。将该微球作为光散射层与P25纳米颗粒组成双层膜结构，优化后的DSSC光电转化效率达到6.85%，与P25(6.24%)相比较提升了9.7%。

关键词：TiO₂微球 光散射 太阳能电池

ABSTRACT

Dye-sensitized solar cell (DSSCs) is a novel solar cell with low cost, simple preparation process and relatively high efficiency. TiO₂ semiconductor material, the most widely used in the cells, has an important impact on the photovoltaic performance of solar cells. Based on the above, the main work of this paper is summarized as follows:

The titanium isopropoxide was hydrolyzed in the aqueous solution to form the TiO₂ precursor compound with the DETA as a surfactant, then resynthesis TiO₂ microspheres by hydrothermal process in the alcohol-water system. The particle size of TiO₂ microspheres is around 0.8µm-1.2µm. The DSSC prepared with TiO₂ microspheres obtained a photoelectric conversion efficiency of 6.36%. The synthesized TiO₂ microspheres were fabricated to photoanode as the light-scattering layer with P25, and a conversion efficiency of 6.85% was achieved, which increased by 9.7% compared with P25 (6.24%).

KEYWORDS: TiO₂ microspheres；Light-scattering；Solar cell

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 前言 1

1.1 引言 1

1.2 染料敏化太阳能电池概述 2

1.2.1 染料敏化太阳能电池发展历程 2

1.2.2 染料敏化太阳能电池的结构 3

1.2.3 染料敏化太阳能电池的工作原理 4

1.2.4 染料敏化太阳能电池主要性能评价参数 6

1.2.5 染料敏化太阳能电池的优化及光散射效应的应用 7

1.3 论文的选题和研究内容 9

第二章 TiO₂微球的制备及其在染料敏化太阳能电池中的性能优化 10

2.1 实验部分 11

2.1.1实验试剂 11

2.1.2 实验过程 12

2.1.3 分析与表征 13

2.2结果与讨论 14

2.2.1 TiO₂微球的表面形貌与结构 14

2.2.2 DSSC性能测试 15

2.2.3 染料吸附量测定 16

2.2.4 紫外-可见漫反射测试 17

2.2.5 电化学阻抗测试 18

2.3 本章小结 19

第三章 结论 20

参考文献 21

致 谢 25

第一章 前言

1.1 引言

21世纪，人类社会进入快速发展阶段，对能源的需求量也日益增加，致使人们对三大化石能源（煤、石油、天然气）进行了过度的开采和使用，造成了此类能源的日益枯竭；同时，化石能源的开采、运输、加工、利用也带来大批污染物的排放，形成了工业“三废”，对我们的生存条件造成严重的污染。目前，水污染、臭氧层破坏、全球变暖等环境问题已成为全世界各国共同面对的难题，而传统化石能源的日益枯竭也为社会的发展带来严峻的挑战。长期以来为解决日益凸显的环境的问题，人们都在不断的寻求新型清洁无污染的可再生能源。

新型能源^[1]包括：太阳能、风能、水利能、地热能、潮汐能、生物能、氢能等，其中太阳能具有资源丰富、取之不尽、成本低廉、无需运输、绿色无污染等优点而倍受青睐^[2,3]。太阳能是氢原子核在超高温条件下产生聚变所释放出来的能量，是人类生存的巨大来源之一，例如化石能源、风能、生物质能等均来自于太阳的能量。辐射到地球大气层太阳能的能量高达1.73×10¹⁷ W，只占其总能量的20亿分之一，有研究表明只需要利用到达地表的0.1%的太阳光即可满足当前的能量需求^[4]。根据其利用情况，太阳能利用可分为四大类^[5]：直接利用太阳能型(光能→内能，如集热器)、间接利用太阳能型(光能→化学能，如化石能源)、生物质能型(光能→化学能)和太阳能电池(光能→电能)。其中太阳能电池的光利用率最高，运输简便并且可以将转化的电能储存起来加以使用，对于太阳能电池的研究也越来越多。

法国物理学家A. E. Becqurel 在1839年首次发现了光伏效应^[6]，19世纪80年代，Charles Fritts 成功制备了第一块太阳能电池，但当时的光电转化效率仅有1%^[7]。1954年，美国科学家Pearson和Chapin首次成功制备出单晶硅太阳能电池^[8]。随着现代科技的不断发展，太阳能电池技术也迅速发展壮大。一般来讲，太阳能电池可以分为三个时代：第一代为硅基太阳能电池，具体包括单晶硅、多晶硅和非晶硅三种类型，该类电池的光电转换效率最高，目前已稳定达到25%^[9]，生产工艺相对成熟，已经实现产业化，但是，第一代电池对原材料要求严格、制备工艺较为繁琐因而成本较高和污染较大。第二代是多元化合物薄膜太阳能电池，例如碲化镉、砷化镓和铜铟镓硒等，该类电池的转换效率也达到了20.3%^[10]，第二代太阳能电池生产成本较低，但是第二代电池的生产工艺目前尚不成熟、且具有较大的毒性，其所占市场份额仍较低。第三代是以染料敏化太阳能电池(DSSCs)为代表的新兴薄膜太阳能电池^[11]。这类电池因具有生产成本低、制作工艺简单、对环境要求低、无毒、具有相对较高的转化效率等优点而成为研究热点。目前的研究报道染料敏化太阳能电池的观点转换效率最高为14.1%^[12]，纳米晶钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在短短几年内已达到超过19%^[13]。

1.2 染料敏化太阳能电池概述

1.2.1 染料敏化太阳能电池发展历程

染料敏化太阳能电池(DSSCs)是一种新型的太阳能电池，由瑞士Grätzel教授于1991年在Nature期刊中首次报道^[14]。使用粒径15 nm的锐钛矿型纳米晶TiO₂，以过渡金属钌系有机配合物为光敏化剂，采用I^-/I₃^-氧化还原电对电解质，与金属铂组装成夹层结构电池，在AM1.5 条件下测得能量转换效率为7%，单色光转化效率达到了80%。之后，DSSCs作为一种全新的太阳能电池，因其相对低廉的成本和简单的制备工艺和相对较高的转化效率受到国内外研究者的普遍关注。

1993年，Grätzel M. 教授等使用新开发的钌系染料Ru(H₂dcbpy)₂(NCS)₂作为敏化剂，采用I^-/I^3-电解质，将DSSCs的光电转化效率提高到10%^[15]，已经接近传统晶体硅光伏电池的水平。1998年，Grätzel M. 教授使用固态的有机空穴传输材料，制备出全固态太阳能电池，该全固态太阳能电池单色光光电转换效率(IPCE)最高可达33%^[16]，这一成果再次吸引了各国研究者的关注。2005年，Grätzel M.研究小组对电池进行进一步优化，将制备的DSSCs效率提高到11.18%^[17]。2012年，Grätzel M.教授使用卟啉染料以及Co^(Ⅱ/Ⅲ)氧化还原电解液组装成DSSC，将光电转化效率提高到了创纪录的12.3%^[18]。到目前为止，液态电解质DSSCs光电转化效率已超过14%^[12]，而固态电解质DSSCs光电转化效率也已高出10%^[19]。

请支付后下载全文，论文总字数：25677字