文档介绍：复旦大学
博士学位论文
染料敏化太阳能电池中电解质的研究和染料的量子设计
姓名:张晓
申请学位级别:博士
专业:物理化学
指导教师:夏永姚
20070417
摘要在聚合物溶液中加入造孔剂一水,去除溶剂后即可得到具有多孔结构的聚合复旦土学博士学位论文伴随着经济的迅速发展,人类对能源的需求量越来越大。而传统能源的日益枯竭促使人们越来越关注新能源的开发和利用。太阳能作为一种清洁的可再生能源,已经引起了广泛的关注,被认为是传统能源的最佳替代者。瑞士的研究小组发展的染料敏化太阳能电池的光电转化效率超过了%,其技术指标已经很接近实际应用的要求。但是,常规染料敏化电池中常采用的有机电解液为液态,其流动性会造成电池使用寿命的迅速缩短,因此限制了敏化电池的实际应用。本文第一部分的工作设想主要是通过制备具有高稳定性的支架材料来固化染料敏化电池中的液态电解质,从而降低电解液的流动性和挥发性,提高染料敏化电池的使用寿命,以期能够推动染料敏化电池的实际应用。本部分的内容包括以下几个方面:迷蝗芙阂荒悍ê铣闪司垡叶荚踊腪纳米粒子,此种纳米粒子中聚乙二醇分子通过化学键连接到纳米粒子表面,具有较高的热稳定性。将这种复合纳米粒子作为支架材料对有机电解液进行固化得到一种凝胶电解质,并用其组装准固态染料敏化太阳能电池。实验结果显示,利用这种复合纳米粒子作为支架材料制备的凝胶电解质在室温下的电导率超过,同时由于复合纳米粒子对有机电解液的固化作用,极大地降低了凝胶电解质的流动性。利用这种凝胶电解质制备的染料敏化电池光电转化效率仅为%。通过进一步的实验我们发现,如果在电解质中添加叔丁基吡啶,则可以显著提高短路光电流值,电池的光电转化效率达到了ァ此外我还将此类准固态电池与基于传统擅琢W拥淖脊烫绯氐氖倜了比较。由于复合粒子的稳定性很强,所以采用复合纳米粒子的电解质中没有发生分层现象,组装的准固态染料敏化电池具有更高的热稳定性。同时,我们还发现纳米颗粒相对较大的骶电极在准固态电解质中具有更好的使用效果,这一现象说明在准固态电池中,电极与电解质之间的接触性能是影响电池性能的决定因素。孟喾掷敕椒ㄖ票噶硕嗫拙酆衔锉∧ぃ⒁源酥直∧,这种薄膜的多孔性使其具有极强的吸液能力。随着加入水量的增加,聚合物薄膜的吸液能力也会提高,所得到的凝胶聚合物薄膜的电导率也随之提高。这种电解质薄膜的保液能力也很强,在室温下保存熘螅涞绲悸饰廾飨韵降。
控制,?.票傅哪旱缃庵时∧け挥美醋樽白脊烫玖厦艋敏化剂的研究手段主要是实验方法,目的性不强,易造成时间和原料的浪费。在复旦太学博士学位论文电池。实验发现,电解质薄膜的厚度会显著影响电池的光电性能,电解质层厚度增加会显著地降低电池的短路光电流值和光电转化效率,对开路电压值却没有明显的影响。我们利用厚度为的电解质薄膜可以得到光电转化效率为甇%的准固态电池,其性能明显优于利用传统聚合物凝胶电解质的准固态电池。这种准固态电池在储存熘笕阅鼙3制涑跏夹实ィ涤薪侠硐氲氖褂檬命。此外,敏化剂的选择也是决定染料敏化电池效率的一个重要因素,但目前对本论文的第二部分,我们尝试利用理论模拟方法对联吡啶钌类染料和香豆素类有机染料的性质进行研究,期望可以得到对实验具有指导意义的结论。这部分内容主要包括以下两个方面:玖戏肿拥奶艄饫寐室约凹し⑻玖戏肿拥桨氲继宓即牡缱幼⑷量子产率是决定染料敏化电池光电转化效率的两个决定性因素。在本项工作中,利用密度泛函椒ǘ訹,肿蛹傲街掷嗨婆浜物。、,’的相关性质进行了详尽的研究。计算结果显示,配体谋浠耘浜衔锛负喂剐偷挠跋觳大,却对配合物的电子结构分布产生了巨大影响。与实验结果比较发现,理论计算方法可以较准确地模拟联吡啶类配合物在乙醇溶液中的吸收光谱,并可对三种染料各吸收带的性质进行准确地描述。计算结果表明,肿拥奈沾喽杂谄渌街秩玖嫌忻飨缘暮煲疲浜衔飈和低的太阳光吸收效率是其光电性能相对较差的重要原因。染料分子激发态能级与导带边位置之间的能隙差可作为半导体纳米粒子表面电荷注入过程的驱动力量度。对于具有不同时间常数的两种电荷注入过程,·分子都具有相对较大的驱动力。配合物的电子注入过程速率相对较小,这可能是其光电性能差的另一个重要原因。由此可见,‘分子不仅具有在长波范围内的较强吸收带,而且其激发态分子具有较大的电子注入驱动力,这两点性质对其光电转化过程都是有利因素。总的来说,利用理论计算的方法可以成功地预测联吡啶钌染料这两方面的性质,从而有效地指导联吡啶染料的结构修饰。_拎ゎ膳浜衔锏姆肿恿拷洗螅诶美砺奂扑惴椒ǘ云浣蟹肿由杓乒程中遇到了计算机处理能力不足的问题,这就导致了在前一项工作中仅仅利用理论计算方法解释了实验现象,而没有进行新染料的设计工作,成为此项工作中的一点缺