染料敏化太阳能电池光阳极致密层的研究

1. 染料敏化太阳能电池光阳极致密层的研究 指导老师:冯亚青教授 学生:杨雁博

2. 课题背景与意义 • 国内外发展状况 • 研究内容与方法 • 实验思路与工作计划

3. 课题背景与意义

4. 课题背景与意义 DSSC的电子传输路径

5. 课题背景与意义 光阳极致密层的作用 Difeng Qiana, Yaogang Li b. Anatase TiO2 sols derived from peroxotitanium acid and to form transparent TiO2 compact film for dye-sensitized solar cells[J]. Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 10121– 10126

6. 国内外发展状况 • 1998年， Grätzel研究组利用喷雾热解法首次引入致密层。 1.F掺杂TiO2层 2.TiO2致密层 3.吸附染料的TiO2多孔层 4.对电极 U. Bach, D. Lupo, P. Comte, J.E. Moser, F.Weissörtel, J. Salbeck,H. Spreitzer, M. Grätzel, Nature 395 (1998) 583.

7. 国内外发展状况 • 2008年，Grätzel研究组通过40mM TiCl4溶液水解制备TiO2致密层。效率由9.4%提高到10.1%。 Seigo Ito，Michael Gratzel. The Function of a TiO2 Compact Layer in Dye-Sensitized Solar Cells Incorporating “Planar” Organic Dyes[J].Nano lett.,2008,8(4):977-981.

8. 国内外发展状况 • 2010年，台湾课题组利用水热法合成TiO2粒子并制成TiO2致密层，研究了水热温度对效率的影响。 Hsuan Fu Wang, Liang Yi h Chen. Effect of the Compact TiO2 Layer on Charge Transfer between N3 Dyes and TiO2 Investigated by Raman Spectroscopy[J]. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 3185–3189

9. 国内外发展状况 • 2012年，James等通过溶胶凝胶法合成TiO2粒子并制成TiO2致密层，研究了制作工艺对效率的影响。 Curtiss S.，James D. TiO2 compact layers prepared by low temperature colloidal synthesis and deposition for high performance dye-sensitized solar cells[J]. Electrochimica Acta 67 (2012) 18–23.

10. 国内外发展状况 • 2011年，武汉大学首次制备ZnO致密层，效率由5.85%提高到6.70%。 Yumin Liu，Xiaohua Sun. Efficiency enhancement in dye-sensitized solar cells by interfacial modification of conducting glass mesoporous TiO2 using a novel ZnO compact blocking film[J]. Journal of Power Sources 196 (2011) 475–481

11. 国内外发展状况 • 2012年，韩国课题组利用石墨烯与TiO2纳米材料制备致密层，效率由4.89%提高到5.26%。 Sung Ryong Kim. UV-reduction of graphene oxide and its application as an interfacial layer to reduce the back-transport reactions in dye-sensitized solar cells[J]. Chemical Physics Letters 483 (2012) 124-127

12. 研究内容与方法 • 致密层的表面形貌 （a）bare FTO (b)compact layer on FTO （c）porous TiO2 layer Difeng Qiana, Yaogang Li b. Anatase TiO2 sols derived from peroxotitanium acid and to form transparent TiO2 compact film for dye-sensitized solar cells[J]. Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 10121– 10126

13. 研究内容与方法 • 粒径大小 （i）当粒径较小时，粒子之间的空隙较小，形成的薄膜致密，能有效防止电解液与导电玻璃接触。但同时粒子表面能增大，不利于分散。 （ii）粒径越大，DSSC内阻越小，对DSSC效率提高有利。粒径太大对透光率影响很大。

14. 研究内容与方法 • 致密层的厚度 hv 致密层 TiO2多孔层 e- I/I3- 散射层 光阳极的透光率 电池的电阻

15. 研究内容与方法 Jin A Jeong, Han Ki Kim. Thickness effectofRFsputteredTiO2 passivating layerontheperformanceof dye-sensitizedsolarcells[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells 95 (2011) 344–348

16. 实验思路 TiO2致密层的制备 TiO2纳米粒子的制备 配制一定浓度的TiO2溶胶 采用浸渍提拉法制备TiO2致密层 制成电池，测试效率

17. 实验思路 • 其他氧化物致密层的制备 （i）掺杂其他金属元素的TiO2致密层 （ii）ZnO、Nb2O5、MgO、Al2O3致密层

18. 实验进展 9.25mlTi(OC4H9)4+2.5mlCH(CH3)2OH滴加到 62mlH2O+20mlCH3COOH TiO2多孔层 TiO2致密层

19. 实验进展 TiO2粒子分散在乙醇中形成溶胶，浸渍提拉法制TiO2致密层 溶胶：0.2gTiO2+70ml乙醇 6层致密层+6层丝印多孔层

20. 实验进展 6层TiO2致密层截面SEM图

21. 实验进展 • 有无致密层的对比实验

22. 实验进展 • 加入煅烧过程，TiO2致密层在500℃下煅烧15min

23. 实验进展 结果讨论 • 理想TiO2粒子粒径为10nm左右 • 改善TiO2溶胶的分散性 • 探索最佳TiO2致密层厚度

24. 实验计划 • 2012,5-7：查阅文献及实验前期准备工作。 • 2012,8-12：制备TiO2致密层。 • 2013,1-6：尝试其他可行的制备致密层方法。 • 2013,7-12：制备其他金属氧化物致密层。 • 2014,1-4：整理数据，撰写毕业论文。 • 2014,5-7：毕业答辩。

25. 存在的问题 1）利用粉体配制TiO2溶胶，粉体分散性差 2）TiO2粒子粒径较大，形成的致密层不够致密 水热法制备TiO2粉体 溶胶凝胶法直接制备TiO2溶胶

26. 溶胶凝胶法: 68ml钛酸丁酯、16.5ml二乙醇胺、210ml乙醇+3.6ml水 水解反应： Ti(O-C4H9)4+H2O Ti(OH)4+4C4H9OH 胶凝反应： Ti(OH)4+Ti(O-C4H9)4 2TiO2+4C4H9OH 总反应： 2Ti(O-C4H9)4+H2O 2TiO2+8C4H9OH 存在问题： SEM测试：TiO2粒子很少，不能完全覆盖FTO Hua Yua, Shanqing Zhang. Electrochimica Acta[J] 54 (2009) 1319–1324

27. 改进的溶胶凝胶法： 4ml乙酰丙酮、13.6ml钛酸丁酯、60ml乙醇+1.8g月桂胺、35ml水 其中乙酰丙酮为抑制剂； 月桂胺为模板剂 XIANFENG YOU, FENG CHEN.Journal of Sol-Gel Science and Technology 34, 181–187, 2005

28. SEM图 a 溶胶凝胶法制备致密层 b 与FTO的对比 c 已完成的致密层 d 文献中的致密层

29. 光电转化效率

30. 最佳致密层层数

31. 下一步工作计划 • 利用新的垂直提拉机，再做一次厚度实验，确定最佳厚度，测试SEM横截面图。 • 学会交流阻抗（EIS）的测试，利用交流阻抗谱图解释致密层的作用。 • 补充其他测试结果。（XRD,紫外可见吸收光谱） • 制备复合粒子致密层

32. 谢谢！