新余学院本科毕业设计论文撰写模板实验与设计类.docx
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新余学院本科毕业设计论文撰写模板实验与设计类
XinyuUniversity
毕业设计（论文）
纳米复合光电极和PEDOT:
PSS对电极构造
的柔性双面吸光太阳电池
学生姓名:
王小明
学号:
1234567890
专业:
新能源科学与工程
指导教师:
张小明教授
学院:
新能源科学与工程
江西·新余
独创性声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
其中除加以标注和致谢的地方，以及法律规定允许的之外，不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。
其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。
本毕业设计（论文）成果是本人在新余学院期间在指导教师指导下取得的，成果归新余学院所有。
特此声明。
作者签名（手写）：
签名日期：
年月日
版权使用授权书
本毕业设计（论文）作者及指导教师完全了解新余学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）的复印件和磁盘，允许毕业设计（论文）被查阅和借阅。
作者签名（手写）：
指导教师签名（手写）：
日期：
年月日日期：
年月日
论文题目：
纳米复合光电极和PEDOT:
PSS对电极构造的柔性双面吸光太阳电池
专业：
新能源科学与工程
学生姓名：
王小明
指导教师：
张小明教授
摘要
染料敏化太阳电池（DSCs）作为第三代太阳电池，具有无污染、低成本、制备工艺简单和可柔性化等特点，被认为是最具发展前景的太阳电池之一，其中器件可柔性化的特点进一步拓展了DSCs的应用范围，是DSCs最具发展前景的方向之一。
本论文锁定这一极具发展的前沿课题，对DSCs光电极和对电极低温制备和改性进行了研究，为DSCs低成本、柔性化及透明化提供基础。
以SnCl4为前驱体混合纳米TiO2通过低温热处理（150℃）在FTO基底上原位形成了SnO2/TiO2复合多孔膜，并将其作为光阳极引入DSCs中，着重考察了复合多孔膜中SnO2含量对DSCs光电性能的影响，探讨其支配光电性能的内在原因。
研究表明：
随着SnO2的含量增加，DSCs的短路电流和转换效率均先提升，随后急剧下降。
当SnO2含量为25wt%时，短路电流和转换效率均达到最大值，分别是无粘结剂TiO2光电极DSCs的2.74和4.52倍。
采用简易的溶液旋涂工艺以PEDOT:
PSS水溶液其起始原料在FTO基底上制备了PEDOT:
PSS对电极，着重引入10种掺杂剂对PEDOT:
PSS对电极进行改性，探讨了掺杂对柔性双面吸光DSCs光电性能的影响。
研究表明：
掺杂对柔性双面吸光DSCs光电性能影响明显，相对于纯PEDOT:
PSS，除PEG200掺杂后光电性能无提高外，其他9种物质掺杂后均有所提高，主要是因为PEG200掺杂后，DSCs光电性能降低主要是由面电阻与透光率相互竞争的结果。
同时模拟光从对电极入射发现，掺杂PEDOT:
PSS作为DSCs对电极具有良好的背面吸光特性。
最后针对DSCs的大面积化进行了初步研究，并结合开发的新型光电极及对电极，组装了简易柔性双面吸光DSCs。
关键词：
染料敏化太阳电池；低温；复合多孔膜；PEDOT:
PSS；光电性能
Title:
FlexibleandBifacialSolarCellsConsistingofSnO2/TiO2NanocompositePhotoelectrodeandPEDOT:
PSSCounterElectrode
Specialty:
NewEnergyMaterialsScienceandEngineering
Applicant:
XiaomingWang
Supervisor:
Prof.XiaomingZhang
ABSTRACT
Asthethird-generationsolarcells,dye-sensitizedsolarcells（DSCs）havefeaturessuchasnopollution,lowcost,simplepreparationprocessandflexibility,whichhavebeenconsideredasoneofthemostpromisingsolarcells.TheflexiblefeatureexpandsthescopeofapplicationofDSCs,whichisoneofthemostpromisingdirectionsthathavedevelopmentprospects.Thisarticletargetedthissubjectresearchwhichhasgreatpromisingprospect.Andphotoelectrodeandthecounterelectrodepreparedbylowtemperaturewerestudied,whichprovidedabasisforlow-cost,flexible,transparentDSCs.
Photoelectrode:
SnO2/TiO2compositeporousfilmwasinsituformedbylowtemperature（150℃）thermaltreatmentusingSncl4astheprecursormixtureTiO2nanoparticleatFTOsubstrate.AnditwasintroducedonDSCsasphotoelectrode.TheeffectforcompositeporousfilmofSnO2contentsonthephotovoltaicperformancesofdye-sensitizedsolarcells（DSCs）wasemphaticallyanalyzed.Theresultsshowedthatshortcircuitcurrentandconversionefficiencyhadfirstincreasedandthendecreased,andreachedmaximumwhenSnO2contentat25wt%.Thevaluewas2.74and4.52timesofwithoutbinderTiO2photoelectrodeDSCsrespectively.TheimprovementofphotoelectricperformanceofdeviceismainlyduetothediffuseSnO2duringcompositeporousfilm,whichactsas‘bridgestructure’,improvingtheinterfaceoftheTiO2particlesandtheinterfacebetweenTiO2particleswithFTO.
Electrode:
theuseofasimplesolutionwasspin-coatingprocesstoPEDOT:
PSSaqueoussolutionofthestartingmaterialwaspreparedontheFTOsubstratePEDOT:
PSSelectrodes,focusingontheintroductionofthedopant10kindsofPEDOT:
PSSelectrodesmodifiedDiscussiontheeffectoflightabsorptiondopedopticalpropertiesofflexibleDSCssided.Studieshaveshownthat:
dopingonthedouble-sidedflexibleDSCsphotoelectricabsorptionsignificantlyaffectperformance,relativetopurePEDOT:
PSS,inadditiontotheopticalpropertiesofdopedwithoutPEG200improved,theother9kindsofdopingsubstancesareimproved,mainlybecauseofPEG200.Afterdoping,DSCsopticalperformancedegradationismainlytheresultofcompetitionfromthesurfaceresistivityandtransmittanceofeachother.Simultaneouslysimulatesthelightfromtheincidentfoundontheelectrodes,dopingPEDOT:
PSSasDSCsbacksideelectrodehasgoodabsorptionproperties.
Finally,alargeareaofDSCsconductedapreliminarystudy,combinedwiththedevelopmentofnewphotovoltaicelectrodeandthecounterelectrode,assembledasimpledouble-sidedlight-absorbingflexibleDSCs.
KEYWORDS:
Dye-sensitizedsolarcells;Low-temperature;Compositeporousfilm;PEDOT:
PSS;Photovoltaicperformance
目录
1绪论1
1.1染料敏化太阳电池概况1
1.1.1染料敏化太阳电池研究进展1
1.1.2染料敏化太阳电池结构与工作原理2
1.1.3柔性光电极制备技术3
1.5研究内容3
2SnO2/TiO2纳米复合光电极的低温制备与形成机制5
2.1引言5
2.2实验部分5
2.2.1实验原料与仪器5
2.2.2纳米复合光电极制备6
2.2.3器件组装6
2.2.4表征与测试6
2.3结果与讨论6
2.3.1纳米复合光电极中SnO2含量对器件光电性能的影响6
2.4小结8
3纳米复合光电极的低温制备与形成机制9
3.1引言9
3.2实验部分9
3.2.1实验原料与仪器9
3.2.2纳米复合光电极制备9
3.2.3器件组装9
3.2.4表征与测试9
3.3结果与讨论9
3.4小结9
4纳米复合光电极的低温制备与形成机制10
4.1引言10
4.2实验部分10
4.2.1实验原料与仪器10
4.2.2纳米复合光电极制备10
4.2.3器件组装10
4.2.4表征与测试10
4.3结果与讨论10
4.4小结10
5结论与展望11
5.1结论11
5.2展望11
参考文献12
在校期间取得的成果13
致谢14
附录15
1绪论
能源危机和全球气候变暖两大问题一直困恼着世界各个国家，加之全球经济的快速增长和人口的增多，人类对能源的需求越来越大，促使各国政府推动风能、水能和太阳能等可再生能源的发展，其中，太阳能是最有潜力的一种。
太阳能是其他很多能源的来源，取之不尽、用之不竭，尽管照射到地表的太阳能只占据其总福射能量的22亿分之一，但已高达1.7x1017W，每秒能量相当于500万吨煤燃烧释放出的热量，因此，只要合理开发利用太阳能就能够解决人类的能源危机。
目前，太阳电池的研究开发主要有四类：
硅系太阳电池（包括单晶、多晶和非晶硅太阳电池）、化合物半导体电池、有机太阳电池和染料敏化太阳电池[1,2]。
硅系太阳电池是目前应用广泛、技术比较成熟的太阳电池，但由于其成本仍居高不下，且光电转换效率进一步提高困难，因此亟需寻找一种低成本、制备工艺简单的新型太阳电池。
1.1染料敏化太阳电池概况
染料敏化太阳电池（Dye-sensitizedsolarcells,DSCs）在20世纪90年代以前，转换效率不高，没有受到重视，直到1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL）的Grätzel教授[2]首次引入多孔纳米结构的TiO2光电极，从而成功制出了光电转换效率达7.1%的DSCs。
目前报道的DSCs光电转换效率最高已达12.5%[3]，接近非晶硅太阳电池的水平。
这种以纳米晶TiO2多孔膜为基础的新型太阳电池具有目前占主导地位的晶体硅太阳电池所不具备的特点：
器件可柔性化；
制备工艺简单；
成本低（约为晶体硅太阳电池的1/4-1/5）；
根据环境的要求，可制备出不同颜色的器件，具有很好的装饰功能。
其中器件可柔性化的特点进一步拓展了DSCs的应用范围，使其不仅可以进行卷轴式连续生产，加速电池生产过程，而且也可制备成便携式移动电源，应用于手机、笔记本电脑上；也可做成可折叠的外接式装置，结合纺织品采用衣物涂布方式作为随身发电使用，市场商机潜力极大[4-6]。
实现DSCs柔性化面临的关键问题是高性能的光电极和对电极的低温制备。
此外，如果进一步用低成本的对电极取代传统的Pt对电极并将对电极制成透明或半透明，将获得双面吸光的柔性器件，不仅丰富了太阳电池的类型，而且更有利于实现光伏建筑一体化。
1.1.1染料敏化太阳电池研究进展
早在20世纪70年代，人们就希望通过模拟光合作用，以开发出新型太阳电池。
那时人们在半导体晶体材料二氧化钛表面包裹一层叶绿素染料。
虽然提出DSCs的概念，但是由于电子在叶绿素中运输困难，导致电池转换效率低下只有0.01%。
直到1991年瑞士化学家Grätzel教授运用纳米技术，推动了DSCs的实质性发展，用直径只有20nm的小颗粒TiO2代替大颗粒TiO2，制备出纳米级多孔TiO2薄膜，并用有机配合物染料对其敏化，取得了重大突破，初次所制备的DSCs光电转换效率高达7.1%，随后的10年里，DSCs进入到快速发展时期，在1997年光电转换效率提高到10~11%，至此，DSCs开始展现出诱人的前景。
目前，DSCs逐渐从实验化转向产业化，产业规模逐步扩大。
世界许多大的太阳电池生产商都把目光聚集在产业化，建立DSCs实验性电站，对电池稳定性进行初步试验，为DSCs产业化奠定基础。
2003年澳大利亚Dyesol公司实现了DSCs的产业化，Dyesol公司的DSCs电池组件是对电池单元进行串联和并联，再用2片玻璃和防紫外聚合物封装。
Dyesol公司的BIPV设计了2种组件，为光伏玻璃幕墙和光伏瓦片，且有红色、黄色、绿色、蓝色和灰色等多种颜色提供选择。
2004年，我国中国科学院等离子物理研究建立的全国首个大面积DSCs500瓦示范性电站，开启了国内DSCs产业化先河。
2007年，英国G24Innovations公司使用卷对卷技术生产DSCs，当年产能为25MW，计划未来几年产能扩大至200MW。
其组件厚度小于1mm，并推出便携式太阳能充电器，可以在室内或者室外，给笔记本电脑、数码相机、手机充电，如图1-1所示。
世界其他公司如瑞士Solaronix和日本的索尼、夏普、三菱与东芝等都在进行DSCs的研发和生产。
其中索尼和夏普已经开发出DSCs产品，其产品具有各种颜色，并有柔性电池和玻璃基底的薄膜电池两种封装形式。
以色列3GSolar公司，一塑料基底开发出的低成本DSCs，组件尺寸达到15cmx15cm，适合在热带地区的高温环境使用。
图1-1染料敏化太阳电池的应用产品
1.1.2染料敏化太阳电池结构与工作原理
在科学技术的发展进程中，材料永远扮演着重要角色。
在与现代科技成就息息相关的千万种材料中，半导体材料的作用尤其如此。
以Si为代表的第一代半导体诞生于20世纪40年代末，它们促成了晶体管、集成电路和计算机的发明。
以GaAs为代表的第二代半导体诞生于20世纪60年代，它们成为制作光电子器件的基础。
III－Ⅴ族氮化物半导体材料及器件研究历时30余年，前20年进展缓慢，后10年发展迅猛。
由于III族氮化物特有的带隙范围，优良的光、电性质，优异的材料机械和化学性能，使得它在短波长光电子器件方面有着广泛的应用前景；并且非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。
1.1.3柔性光电极制备技术
（1）原位水热法
原位水热法的核心思路是利用亚稳态的钛盐前驱体在水浴中水解，生成新的锐钛矿TiO2晶体,该方法是低温制备光电极最常用的一种方法。
原位水热法易控制薄膜的厚度，有利于增加染料的吸附，从而容易提高电池转换效率。
Zhang等[18]采用此方法制备柔性光电极，分析对比TiO2纳米晶膜水热处理前后的形貌，可以看出胶态前驱体经水热处理后转化为纳米晶，这些纳米晶颗粒分布于原有TiO2纳米晶颗粒之间，将各颗粒连结起来，获得与高温烧结后的TiO2纳米晶膜相似的形貌。
李成玉等[20]研究发现一种适于制备大面积的电池和大规模生产的方法，用100℃水蒸气常压热处理TiO2薄膜，电池的效率也可达到1.9%。
该方法需采用特殊的原位水热装置，且制备复杂，成本高，水热时间长，能耗较大。
（2）微波烧结法
除了以上三种比较常用的制备方法外，目前用于发展柔性光电极制备的方法还有微波烧结法，微波烧结法主要是用一种频率在300MHz-30GHz的高频率电磁波对TiO2薄膜进行微波辐射均匀加热。
经微波加热处理后，薄膜中TiO2颗粒连接性得到加强，同时TiO2薄膜与导电基底之间接触性也得到改善。
通过控制烧结时间和电磁波频率大小，将获得不同的光电性能。
但该制备对电池性能提高不大，处理后转换效率普遍低于2%，较前三种应用少。
1.5研究内容
在同时实现光电极和对电极的低温制备及改性的基础上，通过优化器件整体结构构造出一种新型的柔性双面吸光DSCs，并探讨了相应的机理和机制，主要内容如下：
第一章绪论
阐述了本课题来源、产生背景、研究现状及其意义，并简述了本论文的研究内容。
第2章SnO2/TiO2纳米复合光电极的低温制备与形成机制
以SnCl4为前驱体混合纳米TiO2通过低温热处理在FTO基底上原位形成了SnO2/TiO2复合多孔膜，并将其作为光阳极引入DSCs中，着重考察了SnO2含量及热处理机制对DSCs光电性能的影响，同时通过ZnO复合改性、HCl质子化、添加散射层等方式尝试对纳米复合光电极进行改性，最后分析了纳米复合对电极的形成机制。
第五章结论与展望
对全文进行归纳、总结、并指出需进一步深入探索的方向。
本文研究的主要内容流程图如图1-2所示。
图1-2工作流程图
2SnO2/TiO2纳米复合光电极的低温制备与形成机制
2.1引言
DSCs由光电极、染料敏化剂、对电极、电解质等四个主要部分组成，其中光电极起吸附染料和传输电子的作用，其性能的优劣直接决定电池的光电性能。
在目前使用的光电极中，纳米TiO2效果最好，其组装的DSCs具有最佳的光电性能，但也有一定的局限性：
TiO2薄膜中含有大量的表面态，严重阻碍了电子在半导体薄膜中的运动，增加了电子与激发态染料或电解质中氧化还原对复合，最终制约DSCs光电转换效率的提高。
近年来，为了改善半导体薄膜的电荷传输，大量研究者尝试用导带和价带位置都与TiO2很相近的SnO2、ZnO、Nb2O5等半导体材料对TiO2进行调制改性，半导体复合体系如SnO2/TiO2、Nb2O5/TiO2、ZnO/TiO2等组装成的复合多孔氧化物膜能降低电子再结合的概率，其DSCs光电性能均优于纯TiO2薄膜DSCs。
然而已有报道中绝大多数复合多孔薄膜在涂膜后均需高温（=450?
）晶化热处理，因此无法在柔性基底上形成高效率的复合多孔薄膜，妨碍了DSCs柔性化。
本章以SnCl4为前驱体混合纳米TiO2通过低温热处理在FTO基底上原位形成了SnO2/TiO2复合多孔膜，并将其作为光阳极引入DSCs中，着重考察了SnO2含量及热处理机制对DSCs光电性能的影响，同时通过ZnO复合改性、HCl质子化、添加散射层等方式尝试对纳米复合光电极进行改性，最后分析了纳米复合对电极的形成机制。
2.2实验部分
2.2.1实验原料与仪器
如表2-1所示为本实验中所用到的主要实验原料及药品，而实验主要仪器如表2.2所示。
表2-1实验原料
名称
规格
生产厂商
TiO2
纳米级
市售
TiO2
普通
市售
FTO导电玻璃
13～15Ω?
口
市售
乙醇
GR
国药集团化学试剂有限公司
六次甲基四胺
AR
天津市北辰化学试剂厂
叔丁醇
AR
成都市科龙化工试剂厂
硝酸锌
AR
国药集团化学试剂有限公司
2.2.2纳米复合光电极制备
称取1gP25粉末分散在4mL不同浓度的SnCl4水溶液中，并加入一定量的乙醇，磁搅拌和超声交替处理3次，每次30min。
随后将浆料倒入研钵体研磨120min，待浆料固含量为20%时倒入烧杯，室温静置12h。
将获得的混合浆料用刮刀涂覆在FTO导电玻璃上，形成大小约为（0.6x0.6）cm2的薄膜，经150?
保温30min处理后将其浸入N719染料乙醇溶液中，避光保存24h进行敏化处理，获得二元复合光电极。
2.2.3器件组装
对电极采用热分解法制得，制备工艺为：
室温下磁搅拌2h配制7mM氯铂酸的异丙醇溶液，在清洗干净的FTO导电玻璃上滴上4滴，随后放入干燥箱60?
保温15min，重复两次，随后放入电阻炉中以6?
/min的升温速率升至400?
，保温15min，获得Pt对电极。
将制备好的光电极和Pt对电极叠成三明治结构，中间插入50um厚垫片，随后缓慢地注入电解质，电解质因毛细作用力自发进入两电极之间，封装后获得DSCs。
电解质为0.6M1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘、0.05MI2,0.1MLiI、0.5M4-叔丁基吡啶的乙腈溶液。
2.2.4表征与测试
用美国FEI公司产的NovaNanoSEM450型场发射扫描电镜（SEM）观察复合多孔膜的形貌；用英国牛津公司的INCA250X-MAX50型能谱仪（EDS）测定复合多孔膜元素种类；用德国Bruker公司产的D8advance型X射线衍射仪（XRD）分析无粘结剂TiO2薄膜和复合多孔膜的晶体结构；用上海菁华科技仪器有限公司721可见光分光光度计测定复合多孔膜的透光率；用美国TA公司产的SDTQ600型热重/差热（TG/DTA）综合热分析仪测定混合凝胶的物理化学性质随着时间/温度变化关系。
DSCs光电性能测试以平行光氙灯光源为模拟光源，光强度由标准硅电池校正为100mW.cm-2。
某某性能的计算如公式
（1）所示。
（1）
式中，y为某某，x为某某，z为某某。
2.3结果与讨论
2.3.1纳米复合光电
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