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1、硕士论文模板柔性染料敏化电池的制备、结构及功能特性研究Preparation, Structure and Functional Properties on Flexible Dye-sensitized Solar Cells 研 究 生：赵丽佳 指导教师：曾 尤 教授 学科专业：材料物理与化学二一一年十二月分类号： 学校代码：10153U D C ： 密 级：公 开硕士学位论文柔性染料敏化电池的制备、结构及功能特性研究 作者姓名：赵丽佳 入学年份：2009年9月指导教师：曾 尤 教授 学科专业：材料物理与化学 申请学位：工学硕士 所在单位：材料科学与工程学院 论文提交日期：2011年11月

2、 论文答辩日期：2011年12月学位授予日期：2012年3 月 答辩委员会主席：朱浮声答辩委员会组成： 朱浮声 唐明 张巨松 时方晓 谷亚新 论 文 评 阅 人 ： 时方晓 王作明 声 明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 作者签名：赵丽佳日 期：2011年12月学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保

3、留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学（或其授权机构）可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并通过网络提供检索、浏览。（如作者和导师同意论文交流，请在下方签名；否则视为不同意。）作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：不限 半年 一年 一年半 两年作者签名：赵丽佳 导师签名：曾尤日 期：2012年1月 日 期：2012年1月摘要染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cell,简称DSC）是新型的太阳能电池，克服了传统硅基太阳能电池污染严重、原材料硅成本高、制备工艺复杂的缺陷。而柔性染料敏化太阳能电池是继染料

4、敏化太阳能电池的研究之后的以柔性导电基底代替导电玻璃的电池。传统的以铟的氧化物（简称ITO）导电玻璃为基底的染料敏化太阳能电池存在重量大、易碎、不易运输形状单一等问题，而柔性染料敏化太阳能电池解决了以上问题，但传统的柔性染料敏化太阳能电池通常为ITO/PEN或者ITO/PET透明导电薄膜基底，其中，ITO为铟的氧化物，由于铟为有毒元素并且又是稀少元素，同时ITO透明导电薄膜在制备的过程中，ITO是以颗粒的形式附着在柔性衬底材料上，所以在多次弯折以后会出现氧化物颗粒剥落。因此开发一种新型、易弯折、柔性的太阳能电池显得尤为重要。本文的研究目的是利用碳纳米管透明导电薄膜为基底制备柔性染料敏化太阳能电

5、池，通过优选不同的天然染料、合成染料，二氧化钛薄膜的制备方法、工作电极处理温度、对电极等各种因素，选择最佳的方案用于制备柔性染料敏化太阳能电池。以碳纳米管透明导电薄膜、钛片为基底制备柔性染料敏化太阳能电池。碳纳米管透明导电薄膜其透光性、导电性等是影响电池光电性能的重要因素。本文利用透光率分别为59%、62%、69%、65%和44%，相应电阻为380/、522/、1138/、612/和77/的碳纳米管透明导电薄膜制备柔性染料敏化太阳能电池，获得了最大的短路电流（Isc）值和开路电压（Voc）值为0.83 mA/cm2和0.22V。碳纳米管透明导电薄膜由于其碳管具有一定的透光率和导电性能，以及碳管

6、相互连通的结构，为电荷的传输提供了支撑骨架，但是由于透光率不高、电阻较大，并且由于二氧化钛颗粒与柔性基底附着力等因素的限制，所以制备的柔性染料敏化太阳能电池的光电性能参数还有待提高。本文又通过钛基片的阳极氧化获得二氧化钛纳米管阵列作为工作电极，制备的柔性染料敏化太阳能电池，其Isc为0.59mA/cm2，Voc为0.55V。由于钛基片上生长的二氧化钛比较致密，染料的吸附量有限，又由于从对电极照射，造成光线多次被吸收，都是造成其光电性能低的原因。碳材料来源广泛、成本低廉，利用碳纳米管透明导电薄膜作为柔性染料敏化太阳能电池的工作电极，其中碳管的连通结构能够为电荷的传输起到骨架的作用，并产生一定的电

7、流值，所以碳材料有望在染料敏化太阳能电池领域得到广泛应用。关键词：碳纳米管透明导电薄膜；柔性；染料敏化太阳能电池；制备；性能AbstractDye-sensitized solar cell (DSC) is a new type of solar battery, which overcome the pollution, high cost, complex preparation processing of traditional silicon-based solar cell .Flexible DSC is after the research of the DSC based o

8、n flexible conductive substrate instead of ITO glass. The traditional ITO DSC exists some problems, such as high weight, fragile, hard transportation, shape single. The flexible DSC has solved those .But the traditional flexible DSC based on ITO or FTO /PEN or PET, for the ITO, In is rare element an

9、d toxic, and ITO is attached to the flexible substrate in the form of particles, so after many times bending, the ITO particles are easy peeling. So, it is important to developing a new , flexible solar cell.The purpose of this article is using carbon nanotube transparent conductive films (CNT TCFs)

10、to prepare flexible DSC. Through the optimization of different natural dyes, synthetic dyes, the preparation methods of TiO2 films, processing temperature of working electrode and counter electrode, choosing the best scheme for the preparation of flexible DSC based on CNT TCFs and Ti. The transmissi

11、on of light and conductivity of CNT TCFs are important factors affecting on flexible DSC.In this paper, we used the CNT TCFs with the light transmittance of 59%、62%、69%、65% and 44%,especially,correspongding resistance for 380/、522/、1138/、612/and 77/ prepare flexible DSC ,we got the Jsc for 0.83 mA/c

12、m2, Voc for 0.22V.The transmission,conductivity and the realization structure of CNT TCFs provide supporting frame for charge.But because the transmission rate is not high,the resistance is bigger,the adhesion between titanium dioxide particles and the flexible substrate,the performance parameters o

13、f flexible DSC need to improve.In this paper,we also prepared DSC based on Ti/TiO2 ,trough anodic oxidation .We got the Jsc for 0.59 mA/cm2, Voc for 0.55V.Because the TiO2 growing on Ti is more dense, the dye adsorption capacity is limited and radiation from the counter electrode , the performance p

14、arameters are not high.Easy source supply of carbon material, and the cost of it is low, in the CNT TCFs of flexible DSC, the connected structure of carbon nanotube play a role of skeleton for charge, so carbon material is expected to be widely used in DSC areas. Keywords: Carbon nanotubes transpare

15、nt conductive film；Flexible；Dye-sensitized solar cells；Preparation；Performance 目次摘 要 IAbstract III第一章 绪 论 11.1前言 11.2 太阳能电池的发展 11.3 染料敏化电池的结构及工作原理 21.3.1 结构 21.3.2 工作原理 21.3.3参数评价 31.4 二氧化钛工作电极 41.4.1基底材料的选择 41.4.2纳米多孔半导体薄膜 41.4.3 纳米二氧化钛薄膜的低温制备 51.5 敏化剂 51.6 电解质 61.7 对电极 71.8 目前存在的问题 71.9 课题思路、研究目的和

16、意义 81.10研究内容 8第二章 实验部分 112.1 前言 112.2 主要实验原料及仪器 112.2.1 主要实验原料 112.2.2 主要实验仪器 112.3 染料敏化太阳能电池的制备 122.3.1导电基底材料的处理 122.3.2 二氧化钛工作电极的制备 122.3.3 制备染料 142.3.4 染料浸润 142.3.5 电解液的制备 142.3.6 对电极的制备 142.3.7 电池的组装 142.4 碳纳米管透明导电薄膜基柔性染料敏化太阳能电池的制备 142.5 测试与表征 152.5.1 导电基底材料与工作电极的微观结构表征 152.5.2 染料对可见光的吸收性能测试 152

17、.5.3 导电基底导电性能测试 152.5.4 导电基底透光率测试 162.5.5 电池电阻测试 162.5.6 电池的光电性能测试 162.6 电池光电性能参数评价 16第三章 染料敏化太阳能电池制备工艺优化 173.1 前言 173.2不同温度处理二氧化钛工作电极表面的微观结构 173.3 不同成膜方法制备的二氧化钛工作电极的表面形貌 183.4 不同染料的紫外可见光谱分析 193.5 不同染料的染料敏化太阳能电池的性能测试 223.6 不同成膜方法制备染料敏化太阳能电池的伏安特性曲线 243.7 不同温度处理的工作电极制备的染料敏化太阳能电池光电性能测试 253.8不同对电极染料敏化电池

18、光电性能测试 273.9 本章小结 28第四章 柔性DSCD性能测试 314.1前言 314.2碳纳米管透明导电膜基染料敏化太阳能电池的性能测试 314.2.1 酸处理对CNT膜性能的影响 314.2.2 不同CNT含量对CNTs薄膜透光率的影响 324.2.3 不同温度处理对碳纳米管透明导电膜工作电极表面形貌的影响 334.2.4 不同CNT含量的CNT薄膜工作电极制备柔性染料敏化太阳能电池的性能测试 344.2.5 制备染料敏化太阳能电池后CNT薄膜与初始CNT薄膜拉曼光谱分析 354.3 本章小结 37第五章 新型dsc的结构设计和与性能 395.1 前言 395.2 主要实验药品及仪器

19、 395.3 钛基ATNTA柔性染料敏化太阳能电池的性能测试 405.4 光栅光阳极染料敏化太阳能电池的制备 415.4.1 导电基底材料的处理 415.4.2 二氧化钛工作电极的制备 415.4.3 制备染料 425.4.4 染料浸润 425.4.5 电解液的制备 425.4.6 对电极的制备 425.4.7 电池的组装 425.5 光栅光阳极染料敏化太阳能电池的性能测试 435.6 本章小结 44第六章 结论 45参考文献 47作者简介 51致 谢 53ContentsAbatract IAbstract IIIchapter 1 Introduction 11.1 Preface 1 1

20、.2 The Development of Solar Cell 11.3 Structure and Working Principle of DSC 21.3.1 Structure 21.3.2 Working Principle 21.3.3 Evaluation Parameters 31.4 TiO2 Working Electrode 41.4.1 Selection of Base Materials 41.4.2 Nanoporous Semiconductor Film 41.4.3 The Low-temperature Preparation Methode of Na

21、noTiO2 Thin Film 51.5 Sensitizer 51.6 Electrolyte 61.7 Counter Electrode 71.8 The Problems at Present 71.9 Subject Thought、Research Purposes and Meanings 81.10 Research Contents 8chapter 2 Experimental Section 112.1 Preface 112.2 The Mainexperimental Raw Materials and Equipents 112.2.1 The Main Expe

22、rimental Raw Materials 112.2.2 The Main Experimental Equipmens 112.3 The Preparation of DSC 122.3.1 The Processing of Basement Materials 122.3.2 The Preparation of TiO2 Working Electrode 122.3.3 The Preparation of Dyes 142.3.4 Dye Infiltration 142.3.5 The Preparation of Electrolyte 142.3.6 The Prepa

23、ration of Counter Electrode 142.3.7 Battery Assembly 142.4 The Preparation of Flexible DSC Based on Carbon Nanotube Tranperant Conductive Films(CNT TCFs) 142.5 Test and Characterized 152.5.1 Microscopic Structure Characterizationof Conductive Basement and Working Electrode 152.5.2 The Absorption Per

24、formence Test of Dye to VisibleLight 152.5.3 The Performance Tese of Conductive Basement 152.5.4 The Light Transmittance of Conductive Basement 162.5.5 The Resistance Test of DSC 162.5.6 The Photoelectric Properties of DSC 162.6 The Photoelectric Performance Parameters Evaluation of DSC. 16chapter 3

25、 The Preparation Procee Optimization of DSC 173.1 Preface 173.2 Microscopic Structure of TiO2Working Electrode with Different Treat Temperatures 173.3 Surface Topograghy of TiO2 Working Electrodes with Different Preparation Methods 183.4 UV-vis of Different Dyes 193.5 The Performance Test of DSC wit

26、h Different Dyes 223.6 The Performance Test of DSC of TiO2 Working Electrodes with Different Preparation Methods 243.7 The Performance Test of DSC of TiO2 Working Electrodes with Different Treat Temperatures 253.8 The Performance Test of DSC of Different Counter Electrodes 273.9 Conclusions of this

27、Chapter 28 Chapter 4 The Performance Test of Flexible DSC 314.1 Preface 314.2 The Performance Test of Flexible DSC Based on CNT TCFs 314.2.1 The Influence of AcidTreatment on the Performance of CNT Films 314.2.2 The Influence of CNT Contents on the Light Transimittance of Film 324.2.3 The Influence

28、of CNT Contents on Surface Topograghy of Films 334.2.4 The Performance Test of Flexible DSC of CNT Films with Different CNT contents 344.2.5 Raman Spectral Analysis of CNT Films Before and afer Using 354.3 Conclusions of this Chapter 37Chapter 5 Structure Design and Performance of New DSC 395.1 Pref

29、ace 395.2 The Mainexperimental Raw Materials and Equipents 395.3 The Performance Test of DSC Based on Ti/TiO2 405.4 The Preparation of DSC of GrilleLight Anode 415.4.1 The Processing of Basement Materials 415.4.2 The Preparation of TiO2 Working Electrode 415.4.3 The Preparation of Dyes 425.4.4 Dye I

30、nfiltration 425.4.5 The Preparation of Electrolyte 425.4.6 The Preparation of Counter Electrode 425.4.7 Battery Assembly 425.5 The Performance Test of DSC of GrilleLight Anode 435.6 Conclusions of this Chapter 44Chapter 6 Conclusions 45References 47Author Introduction 51Thanks 53第一章 绪 论1.1前言注：宋体，小四号

31、字，加粗，1.25倍行距。段前段后各0.5行。能源是我们人类社会永远的主题。进入21世纪，随着社会工业化的发展，人类社会将要更快面临能源危机。我们目前使用的煤、石油、天然气等化石能源是有限的、不可再生的资源。与国外相比，我国的能源系统更加不可持续，能源危机更加严峻：我国人口基数大，各种资源按人均比例计算，远不如发达国家；加上我国利用能源的技术还相对落后、效率比较低、并且能耗高，资源枯竭的速度很可能会比国外来的迅速。在寻找新能源的过程中，风能、水能、潮汐能等资源都为可再生能源，但是其利用效率不可加，都存在一系列问题，而太阳能以其清洁、卫生、受地域限制小、来源广泛、利用率高、无污染等优势作为一种可再生绿色能源，越来越受到重视。而我国太阳能资源相当丰富，跟据统计，我国除了云贵高原等部分地区之外，大部分区域都为可以利用太阳能的区域。地球每年获得的太阳能量大约为5.41024J1，全球每年对于的煤炭的需求量为1.091020J的能量（一吨煤大约能够产生2.9311010J的能量）2，由此可以看出，只要太阳能的一小部分能够被合理利用就