染料敏化电池硫化物电极材料及柔性技术概述

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1、染料敏化电池硫化物电极材料及柔性技术概述1绪论1.1染料敏化太阳电池的结构与分类如图1-1所示，染料敏化太阳电池主要包括透明导电基底、多孔TiCb光阳极薄膜、对电极材料、含氧化还原对的电解质以及封装阻隔材料[11]，顾名思义，透明导电基底需要具备透明和导电两个特性，是染料敏化太阳电池结构的重要组成部分。一方面透明导电基底可以有效的为多孔光阳极薄膜提供附着，另外一方面可以高效的将电池结构产生的载流子收集导出到外电路。而且，染料敏化太阳电池中使用的高效碘离子电解质具有很强的腐蚀作用，基底的稳定性也非常重要。目前在染料敏化太阳电池中广泛使用的透明导电基底为镀有透

2、明导电薄膜的玻璃、高分子塑料和金属衬底，如镀有氟;掺杂二氧化锡的玻璃（FTO玻璃）、镀有招掺杂氧化锌的玻璃(AZO玻璃）、键有锡掺杂三氧化二铟的玻璃（ITO玻璃），镀有ITO的聚对苯二甲酸和聚萘二甲酸乙二醇酷塑料（PET-ITO和PEN-ITO)的导电聚合物衬底以及钢、钛、镍、铜等金属基底。通常我们把制备有良好多孔结构的半导体氧化物颗粒薄膜和透明导电基底称为染料敏化太阳电池光阳极。光阳极薄膜由两种尺寸的半导体氧化物颗粒组成，底层为厚的小颗粒层，顶层为薄的大颗粒层。半导体多孔光阳极薄膜作为染料分子载体在染料敏化太阳电池结构中有重要的作用。并且，顶层薄的大颗粒

3、层可以对入射光进行散射，增加光在电池内部的行程，增强电池对光的利用效率进而提高电池的光电转换效率[18-21]。由于半导体本身不会被入射光激发，它只是起着传导电子的作用，因此，颗粒状半导体薄膜材料必须具有较高的电子迁移率。虽然其他一些氧化物如ZnO、Sn02和Zr02等能带合适、电子迁移率高的材料都被尝试用于染料敏化太阳电池[22-24]。但是由于其与染料能级的匹配问题、与染料分子吸附紧密程度等问题，目前被验证的性能最佳，效果最好的半导体氧化物为锐钛矿结构的二氧化钛。也有些研究发现，通过制备核壳结构可以优化一些材料作为染料敏化太阳电池光阳极材料时的性能。.

4、.1.2染料敏化太阳电池的工作原理对于传统的硅太阳电池，电池材料本身在入射光的激发下产生空穴-电子对，然后利用自建电场将空穴-电子对进行分离、输运，最后通过外电路形成回路，完成整个发电过程。而对于染料敏化太阳电池，太阳光的吸收、电子的产生和传递以及最后通过外电路形成回路完成整个发电过程，是分别在电池的不同结构处发生。由于染料敏化太阳电池常使用的小颗粒半导体氧化物的带隙较大，因此无法被可见光直接激发。染料敏化太阳电池对太阳光的吸收利用主要是依靠吸附在氧化态颗粒上的对太阳光非常敏感的染料分子。染料分子吸收可见光后从基态变成激发态。由于激发态的的能级高于二氧化钛

5、的导带，能级匹配的激发态染料分子将电子注入到二氧化钛的导带，失去电子的激发态染料分子成为氧化态。注入二氧化钛导带的电子瞬间通过二氧化铁薄膜转移到导电玻璃上，然后电子经过外电路传导到对电极处。氧化态的染料分子在还原性很强的作用下还原成为基态。2.实验方法、设备与性能表征2.1实验方法及设备(1)沉淀法：沉淀法通常是指将分子或者原子按照一定的成份比例混合在液体里，然后利用添加沉淀剂、分散剂等使得目标分子和原子的离子浓度达到饱和而发生沉淀，最后对沉淀物进行处理得到目标产物的方法。沉淀法产物包括碳酸盐、氧氧化物和硫酸盐等。沉淀法根据沉淀物质的组分、沉淀方式等可以分

6、为均勾沉淀法、共沉淀法、多元醇为介质的沉淀法、沉淀转化法及溶剂蒸发法。(2)溶剂热法：溶剂热法根据溶剂性质的区别可以分为水热法和有机溶剂热法。水热法是利用高温高压的水溶液使得那些在常规大气条件下不溶或者难溶的物质溶解或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压反应签内溶液的温度使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。在水热法的基础上人们发现在制备一些对水敏感的物质，例如碳化物、氮化物和憐化物等的时候，无法使用水作为溶剂。因此，开发了利用其他有机溶剂进行反映的方法，扩宽了溶剂热的应用范围。本论文中溶剂热法使用的设备包括：不锈钢反应爸（含聚四氟乙稀内胆和对

7、位聚苯内胆，100ml，上海岩征仪器有限公司），真空干燥箱（DZF-6020,上海比朗仪器有限公司）。.2.2测试表征方法及设备X射线衍射仪：X射线衍射仪（X-raydiffraction，简称XRD)是以确定晶体结构为基础，利用X射线与被测物质内部规则排列的原子或离子发生散射，通过对不同方向上获得的X射线衍射信号进行收集分析，对材料晶体结构进行表征的方法。衍射的X射线满足布拉格方程（式2-1)：扫描电子显微镜：扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope,简称SEM)是利用高能电子束与被测材料表面相互作用，将轰击区域反射的二次电子

8、、背散射电子、等信号进行收集处理，以获得被测样品的表面形貌的测试技