新型構(gòu)造的染料敏化太陽(yáng)電池及光電致變色器件的研究.pdf

1、近年來(lái)發(fā)展的以多孔納米晶為特征的染料敏化太陽(yáng)電池由于其簡(jiǎn)單的制作工藝和極其低廉的成本和較高的光電轉(zhuǎn)換效率而成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。短期內(nèi)不能產(chǎn)業(yè)化的其中一個(gè)原因是效率還較低，同時(shí)由于采用液態(tài)電解質(zhì)存在密封問(wèn)題，需進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。在低效率電池市場(chǎng)中，無(wú)法與已經(jīng)發(fā)展成熟的非晶硅和CIGS太陽(yáng)電池競(jìng)爭(zhēng)，因此找到它在低效率電池市場(chǎng)中的位置，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)是其是否能產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。光電致變色器件巧妙地結(jié)合了染料敏化太陽(yáng)電池與電致變色的優(yōu)點(diǎn)，既能用電致變色

2、節(jié)能，又能解決電致變色的電源和安裝成本問(wèn)題，是染料敏化太陽(yáng)電池進(jìn)入市場(chǎng)的一個(gè)較好的切入點(diǎn)。 本文在研究染料敏化太陽(yáng)電池制備工藝的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地研究了幾種新型結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽(yáng)電池和光電致變色器件。 本文選擇了發(fā)展比較成熟的水熱法(200℃和230℃)和商業(yè)P25納米TiO2粉不同工藝制備的染料敏化太陽(yáng)電池進(jìn)行了比較研究，并從TiO2顆粒大小、孔徑、晶型和光學(xué)特性等方面分析了不同工藝對(duì)制備的電池性能的影響。 針對(duì)

3、染料敏化太陽(yáng)電池在長(zhǎng)波范圍吸光能力差的缺點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了一種新的可二次利用太陽(yáng)光的染料敏化太陽(yáng)電池的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)在鍍鉑的導(dǎo)電玻璃背面附上一層銀反光膜后，可以將從光陽(yáng)極透過(guò)的沒(méi)有被充分利用的光通過(guò)銀反光膜再次反射回光陽(yáng)極，達(dá)到二次利用光的目的，從而提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。并對(duì)不同膜厚、不同工藝制備的電池的光學(xué)性質(zhì)和效率進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：傳統(tǒng)的染料敏化太陽(yáng)電池都有相當(dāng)一部分光透過(guò)電池沒(méi)有充分利用，通過(guò)二次利用光的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，不同膜

4、厚、不同工藝制備的電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率都有明顯提高。以水熱法制備的7μm和15μm膜厚的電池，改進(jìn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電池效率分別提高了41.74％和22％。用P25納米TiO2粉制備的14μm膜厚電池，改進(jìn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電池效率提高了11.4％。同時(shí)這種新的二次利用光的染料敏化太陽(yáng)電池改進(jìn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它文獻(xiàn)已提出的增加電池光譜吸收的改進(jìn)結(jié)構(gòu)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：明顯提高電池效率的同時(shí)，制備工藝更為簡(jiǎn)單和成本相對(duì)低。 由

5、于一天中太陽(yáng)方位角和高度角不斷地變化，使傳統(tǒng)平面太陽(yáng)電池在接收陽(yáng)光時(shí)存在"cosine"能量損失。本論文原創(chuàng)性地發(fā)明了一種螺旋絲狀集成的立體吸光太陽(yáng)電池，在太陽(yáng)模擬器和自然光下考察了它的性能。與傳統(tǒng)的平面太陽(yáng)電池相比，在自然光下立體吸光電池表現(xiàn)出與松樹針葉吸收陽(yáng)光類似的特點(diǎn)：由于螺旋絲狀的光陽(yáng)極可以從空間各個(gè)方向吸光，具有被動(dòng)式跟蹤太陽(yáng)光的優(yōu)點(diǎn)，提高了太陽(yáng)電池在一天中特別是上午和下午時(shí)的發(fā)電量；立體吸光電池對(duì)太陽(yáng)方位角和遮陰不敏感；增大

6、了吸收太陽(yáng)散射光和周圍環(huán)境反射光的面積；在相同的安裝底面積上，通過(guò)螺旋絲狀光陽(yáng)極伸向空間增加對(duì)空間的有效吸光面積，從而提高了單位底面積上太陽(yáng)電池的輸出功率。與平面結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池相比，解決了在接收陽(yáng)光時(shí)的"cosine"能量損失問(wèn)題。與傳統(tǒng)的液態(tài)染料敏化太陽(yáng)電池相比，在封裝工藝上更具優(yōu)勢(shì)。在模擬器和自然光下測(cè)得的效率分別是3.36％和4.13％，并與目前正為解決封裝問(wèn)題的固態(tài)染料敏化太陽(yáng)電池具有較接近的效率。 根據(jù)立體吸光電池與松

7、樹針葉利用陽(yáng)光類似的特點(diǎn)，利用仿生學(xué)原理和分形理論，首次提出了將立體吸光電池的組件模仿自然界中松樹的結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，形成立體空間吸光結(jié)構(gòu)，增加對(duì)空間吸光面積，并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：一天中不同時(shí)刻遮陰后的立體吸光電池的組件相對(duì)于沒(méi)有遮陰時(shí)犧牲的效率在10％到21％之間變化，說(shuō)明以一定規(guī)律排列的立體吸光電池組件可以象自然界中的植物一樣，在犧牲少量效率的情況下，形成立體空間吸光結(jié)構(gòu)，達(dá)到對(duì)太陽(yáng)能更合理的利用，從而解決太陽(yáng)輻射能流密度低的缺

8、點(diǎn)和太陽(yáng)電池的占地面積問(wèn)題。 在研究絲狀光陽(yáng)極制備染料敏化太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種新的絲狀光陽(yáng)極集成的光電致變色器件。通過(guò)研究器件在著色態(tài)和褪色態(tài)的透過(guò)光譜，結(jié)果表明：以兩根鈦絲制備的光陽(yáng)極為電致變色供電的光電致變色器件，褪色態(tài)平均透過(guò)率是68.0％(400-1100nm)，著色態(tài)平均透過(guò)率是26.1％(400-1100nm)。與傳統(tǒng)的光電致變色器件相比，新的光電致變色器結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)范圍應(yīng)—步拓寬，解決了傳統(tǒng)的光電致變色器