以碳纤维，石墨烯和二氧化钛太阳能电池
以碳纤维，石墨烯和二氧化钛太阳能电池[20200411170117]
摘 要
本实验以石墨烯、N-N-二甲基甲酰胺溶剂、聚丙烯腈为先驱制成纺丝液，通过静电纺丝法制得纳米纤维毡，并通过预氧化和高温烧结制备成碳纤维支撑体粉末。支撑粉体、OP乳化剂以及乙酰丙酮和液态电解质均匀混合得到 准固态电解质 ， 在与染料敏化 TiO2薄膜电极和铂电极组装；通过改变石墨烯与碳纤维的质量比、支撑体粉末与液态电解液的质量比以及掺杂不同比例、不同温度的二氧化钛，制备出不同的太阳能电池。在模拟光照下测试其光电性能，结果表明：当m(石墨烯:CF)=0.06:1、m(支撑体粉末）：m（电解液)=0.06:1、m（CF）:m（TiO2）=1:0.05、TiO2低温烧结为650 ℃、厚度为150 μm时，太阳能电池的光电性能最好，其最大电流密度、最大开路电压、填充因子、最大光电转换效率分别为0.0162 mA·cm-2、0.210 V、0.352、1.1966%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:静电纺丝碳纤维石墨烯改性碳纤维准固态电解质光电性能
目录
1、绪论 1
1.1 太阳能概述 1
1.2 太阳能电池的分类及研究进展 1
1.2.1 硅基太阳能电池 2
1.2.2 化合物半导体太阳能电池 3
1.2.3 有机/聚合物太阳能电池 4
1.2.4 染料敏化太阳能电池 4
1.3 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理 5
1.3.1 染料敏化太阳能电池的基本结构 5
1.3.2 染料敏化太阳能电池的工作原理 5
1.4 染料敏化太阳能电池电解质的研究进展 7
1.4.1 液态电解质的研究进展 7
1.4.2 固态电解质的研究进展 7
1.4.3 准固态电解质的研究进展 8
1.5 实验意义和目的 9
2、实验部分 11
2.1 实验药品及仪器 11
2.2 实验方法及步骤 12
2.2.1 染料敏化纳米TiO2薄膜电极的制备[25] 12
2.2.2 TiO2粉体制备 12
2.2.3 支撑体粉末的制备 12
2.2.4 准固态电解质的制备 13
2.2.5 太阳能电池的组装 14
2.2.6 DSSC的表征手段 14
3、结果与讨论 15
3.1 支撑体的红外光谱表征 15
3.2 DSSC交流阻抗分析 15
3.2.1 不同质量分数碳纤维支撑体对DSSC阻抗的影响 16
3.2.2 掺杂不同质量分数TiO2对DSSC交流阻抗的影响 17
3.2.3 掺杂不同温度TiO2对DSSC阻抗的影响 18
3.3 DSSC的线性循环伏安分析 18
3.3.1 不同质量分数碳纤维支撑体对DSSC光电性能的影响 19
3.3.2 掺杂不同质量分数TiO2对DSSC光电性能的影响 20
3.3.3 掺杂不同温度TiO2对DSS光电性能的影响 21
3.4 石墨烯改性碳纤维对DSSC的影响 23
3.4.1 不同比例支撑分体对DSSC阻抗的影响 23
3.4.2 不同比例支撑分体对DSSC光电性能的影响 23
3.4.3 掺杂不同温度TiO2对DSCC光电性能的影响 25
4、结论 27
参考文献 28
致 谢 29
1、绪论
1.1 太阳能概述
能源是国家经济发展的根本，能源的枯竭制约了经济的快速发展。如今人类不仅要面对逐渐枯竭化石能源，而且也要应对化石使用给环境造成的危害。面对种种难题，人们在渴望经济发展的同时也渴求着一种新的能源可以改善现在的这种状况。而仅仅寻找向化石-不可再生能源，已经无法满足当今经济社会发展的需要，寻求可持续发展的新能源已迫在眉睫。由于太阳能清洁，无污染，且原材料丰富，符合可持续发展的条件。光伏能源将成为21世纪能源支柱之一。
目前太阳能在人们日常生活中的运用越来越普遍，如太阳能热水器，太阳能电池板等等等，光热以及光电利用也伴随着人们生活之中。太阳能电池是目前人们将光能转化为电能的最直接有效手段之一，随着科技不断进步，在不久的将来，科学家们将研制出更高效的将光能转换电能的转换器。而目前不断改善太阳能电池的制作工艺，对改变目前能源结构、缓和当前恶化的环境以及改善人们的生活至关重要。
上世纪50年代，经过科学家们不懈努力、奋身科研，终于发现半导体材料硅。并在1954年美国研究人员进一步对半导体硅深入研究，发现了一种p-n硅晶体-能够产生光伏效应，并根据这个理论，研制出实用型的单晶硅光电电池[1]，并且电池的光电转换效率高达6%，首次实现了将太阳光光能向电能的转换，为太阳能电池的发展奠定了基础。
而对于我国而言，石油储量严重不足[2]，而煤炭资源相对丰富，煤成为我国主要能源消耗模式，导致我国某些地区污染日益严重。由于二氧化碳排放量居世界前列，生态环境日益恶化，使我国在国际上承担着巨大的环境压力。然而我国能源供给的严重不足，不得不大量进口石油等能源来满足经济发展的需要。与石油等化石能源相比，我国的太阳能资源十分丰富，大部分地区日照时间长，尤其是华北、西北地区和西藏等，适合发展光伏发电。因此，发展新型太阳能对经济发展和环境保护都具有极大的意义。
1.2 太阳能电池的研究进程及类别
太阳能电池具有太阳光能得清洁性、资源的充足性等优点，有很好的发展前景。目前，按材料的不同划分太阳能电池，主要有四类：以硅为半导体材料的硅基太阳电池，以化合物半导体材料的太阳电池，以有机或聚合物为凝胶剂的太阳电池和以TiO2等纳米粒子为光阳极的染料敏化太阳电池[3](DSSC)。
1.2.1 硅基太阳能电池
(1)单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的特点：
① 资源丰富。
② 具有成熟的单晶硅电池的制备以及P-N结的制备集成电路工艺作为保证。
③ 硅密度低，材料轻。
④ 转换效率高。
⑤ 电池工作稳定，不易发生化学分解，已实际用于人造卫星、偏远地区的电能供用
等方面，并且可以达到20年以上的工作寿命[4]。
目前，单晶硅电池的工艺已基本趋近成熟，主要靠改善单晶硅表面微结构和区分掺杂工艺来提高电池转换效率。在这方面，一些研究单位获得突破性进展，例如德国费莱堡的夫郎霍夫太阳能系统研究所研发的光刻照相技术，即将电池表面织构化制成倒金字塔结构，得到的转换效率超过23%，最大值可达23.3%[5]。斯坦福大学研究的背点接触太阳能电池、澳大利亚新南威尔士大学开发的钝化发射区背局部扩散（PERL）电池，其转换效率达到22%。而我国研制的平面高效率单晶硅电池，转换效率也达到19.79%[5]。据报道，我国河北保定英利集团在2002年已经开始建设太阳能电池工业化生产线，并且单晶硅电池片的转换效率为16%。
虽然单晶硅太阳电池在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但是单晶硅太阳能电池的制造工艺复杂，需要耗费大量的能源，因此它的制作成本非常高，此外它的能源回收的周期比较长，单晶硅太阳能电池的发展受到阻碍。为了寻找既有较高光电转换效率、生产成本又低的材料，人们发现并开发了多晶硅等材料。
(2)多晶硅太阳能电池
科学家们不再局限与只研究单晶硅为材料的太阳能电池，在研究过程中寻找能够代替单晶硅的半导体材料。到目前为止，科学家研制出多晶硅太阳能电池，光电转换效率接近单晶硅太阳电池，也仅低单晶硅太阳能电池1.5个百分点[6]。此外，多晶硅薄膜太阳能电池比单晶硅电池能耗低，制作工艺相对简单，且制作成功率高，便于批量生产。
此外许多新的工艺[7]相继被发现，日本科学家经过不断的尝试探索，研制出多晶硅薄膜太阳电池，电池的光电转换效率达 16. 5%［8］。目前，国内外追求优化[9]太阳能电池生产过程的每一个步骤，完善太阳能电池制作工艺，以此来提高太阳能电池的转换效率。
(3)硅薄膜太阳能电池
对长波段具有高光敏性和有效吸收可见光，且转换效率高于非晶硅薄膜电池，工业规模生产的转换效率达到15%。虽然国内的研究工作才起步，但多晶硅太阳能电池片效率已达15%。经过各国的不断改进、创新，多晶硅薄膜电池制作工艺日趋成熟，也将带领太阳能电池进入新的发展领域。
摘 要
本实验以石墨烯、N-N-二甲基甲酰胺溶剂、聚丙烯腈为先驱制成纺丝液，通过静电纺丝法制得纳米纤维毡，并通过预氧化和高温烧结制备成碳纤维支撑体粉末。支撑粉体、OP乳化剂以及乙酰丙酮和液态电解质均匀混合得到 准固态电解质 ， 在与染料敏化 TiO2薄膜电极和铂电极组装；通过改变石墨烯与碳纤维的质量比、支撑体粉末与液态电解液的质量比以及掺杂不同比例、不同温度的二氧化钛，制备出不同的太阳能电池。在模拟光照下测试其光电性能，结果表明：当m(石墨烯:CF)=0.06:1、m(支撑体粉末）：m（电解液)=0.06:1、m（CF）:m（TiO2）=1:0.05、TiO2低温烧结为650 ℃、厚度为150 μm时，太阳能电池的光电性能最好，其最大电流密度、最大开路电压、填充因子、最大光电转换效率分别为0.0162 mA·cm-2、0.210 V、0.352、1.1966%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:静电纺丝碳纤维石墨烯改性碳纤维准固态电解质光电性能
目录
1、绪论 1
1.1 太阳能概述 1
1.2 太阳能电池的分类及研究进展 1
1.2.1 硅基太阳能电池 2
1.2.2 化合物半导体太阳能电池 3
1.2.3 有机/聚合物太阳能电池 4
1.2.4 染料敏化太阳能电池 4
1.3 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理 5
1.3.1 染料敏化太阳能电池的基本结构 5
1.3.2 染料敏化太阳能电池的工作原理 5
1.4 染料敏化太阳能电池电解质的研究进展 7
1.4.1 液态电解质的研究进展 7
1.4.2 固态电解质的研究进展 7
1.4.3 准固态电解质的研究进展 8
1.5 实验意义和目的 9
2、实验部分 11
2.1 实验药品及仪器 11
2.2 实验方法及步骤 12
2.2.1 染料敏化纳米TiO2薄膜电极的制备[25] 12
2.2.2 TiO2粉体制备 12
2.2.3 支撑体粉末的制备 12
2.2.4 准固态电解质的制备 13
2.2.5 太阳能电池的组装 14
2.2.6 DSSC的表征手段 14
3、结果与讨论 15
3.1 支撑体的红外光谱表征 15
3.2 DSSC交流阻抗分析 15
3.2.1 不同质量分数碳纤维支撑体对DSSC阻抗的影响 16
3.2.2 掺杂不同质量分数TiO2对DSSC交流阻抗的影响 17
3.2.3 掺杂不同温度TiO2对DSSC阻抗的影响 18
3.3 DSSC的线性循环伏安分析 18
3.3.1 不同质量分数碳纤维支撑体对DSSC光电性能的影响 19
3.3.2 掺杂不同质量分数TiO2对DSSC光电性能的影响 20
3.3.3 掺杂不同温度TiO2对DSS光电性能的影响 21
3.4 石墨烯改性碳纤维对DSSC的影响 23
3.4.1 不同比例支撑分体对DSSC阻抗的影响 23
3.4.2 不同比例支撑分体对DSSC光电性能的影响 23
3.4.3 掺杂不同温度TiO2对DSCC光电性能的影响 25
4、结论 27
参考文献 28
致 谢 29
1、绪论
1.1 太阳能概述
能源是国家经济发展的根本，能源的枯竭制约了经济的快速发展。如今人类不仅要面对逐渐枯竭化石能源，而且也要应对化石使用给环境造成的危害。面对种种难题，人们在渴望经济发展的同时也渴求着一种新的能源可以改善现在的这种状况。而仅仅寻找向化石-不可再生能源，已经无法满足当今经济社会发展的需要，寻求可持续发展的新能源已迫在眉睫。由于太阳能清洁，无污染，且原材料丰富，符合可持续发展的条件。光伏能源将成为21世纪能源支柱之一。
目前太阳能在人们日常生活中的运用越来越普遍，如太阳能热水器，太阳能电池板等等等，光热以及光电利用也伴随着人们生活之中。太阳能电池是目前人们将光能转化为电能的最直接有效手段之一，随着科技不断进步，在不久的将来，科学家们将研制出更高效的将光能转换电能的转换器。而目前不断改善太阳能电池的制作工艺，对改变目前能源结构、缓和当前恶化的环境以及改善人们的生活至关重要。
上世纪50年代，经过科学家们不懈努力、奋身科研，终于发现半导体材料硅。并在1954年美国研究人员进一步对半导体硅深入研究，发现了一种p-n硅晶体-能够产生光伏效应，并根据这个理论，研制出实用型的单晶硅光电电池[1]，并且电池的光电转换效率高达6%，首次实现了将太阳光光能向电能的转换，为太阳能电池的发展奠定了基础。
而对于我国而言，石油储量严重不足[2]，而煤炭资源相对丰富，煤成为我国主要能源消耗模式，导致我国某些地区污染日益严重。由于二氧化碳排放量居世界前列，生态环境日益恶化，使我国在国际上承担着巨大的环境压力。然而我国能源供给的严重不足，不得不大量进口石油等能源来满足经济发展的需要。与石油等化石能源相比，我国的太阳能资源十分丰富，大部分地区日照时间长，尤其是华北、西北地区和西藏等，适合发展光伏发电。因此，发展新型太阳能对经济发展和环境保护都具有极大的意义。
1.2 太阳能电池的研究进程及类别
太阳能电池具有太阳光能得清洁性、资源的充足性等优点，有很好的发展前景。目前，按材料的不同划分太阳能电池，主要有四类：以硅为半导体材料的硅基太阳电池，以化合物半导体材料的太阳电池，以有机或聚合物为凝胶剂的太阳电池和以TiO2等纳米粒子为光阳极的染料敏化太阳电池[3](DSSC)。
1.2.1 硅基太阳能电池
(1)单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池的特点：
① 资源丰富。
② 具有成熟的单晶硅电池的制备以及P-N结的制备集成电路工艺作为保证。
③ 硅密度低，材料轻。
④ 转换效率高。
⑤ 电池工作稳定，不易发生化学分解，已实际用于人造卫星、偏远地区的电能供用
等方面，并且可以达到20年以上的工作寿命[4]。
目前，单晶硅电池的工艺已基本趋近成熟，主要靠改善单晶硅表面微结构和区分掺杂工艺来提高电池转换效率。在这方面，一些研究单位获得突破性进展，例如德国费莱堡的夫郎霍夫太阳能系统研究所研发的光刻照相技术，即将电池表面织构化制成倒金字塔结构，得到的转换效率超过23%，最大值可达23.3%[5]。斯坦福大学研究的背点接触太阳能电池、澳大利亚新南威尔士大学开发的钝化发射区背局部扩散（PERL）电池，其转换效率达到22%。而我国研制的平面高效率单晶硅电池，转换效率也达到19.79%[5]。据报道，我国河北保定英利集团在2002年已经开始建设太阳能电池工业化生产线，并且单晶硅电池片的转换效率为16%。
虽然单晶硅太阳电池在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但是单晶硅太阳能电池的制造工艺复杂，需要耗费大量的能源，因此它的制作成本非常高，此外它的能源回收的周期比较长，单晶硅太阳能电池的发展受到阻碍。为了寻找既有较高光电转换效率、生产成本又低的材料，人们发现并开发了多晶硅等材料。
(2)多晶硅太阳能电池
科学家们不再局限与只研究单晶硅为材料的太阳能电池，在研究过程中寻找能够代替单晶硅的半导体材料。到目前为止，科学家研制出多晶硅太阳能电池，光电转换效率接近单晶硅太阳电池，也仅低单晶硅太阳能电池1.5个百分点[6]。此外，多晶硅薄膜太阳能电池比单晶硅电池能耗低，制作工艺相对简单，且制作成功率高，便于批量生产。
此外许多新的工艺[7]相继被发现，日本科学家经过不断的尝试探索，研制出多晶硅薄膜太阳电池，电池的光电转换效率达 16. 5%［8］。目前，国内外追求优化[9]太阳能电池生产过程的每一个步骤，完善太阳能电池制作工艺，以此来提高太阳能电池的转换效率。
(3)硅薄膜太阳能电池
对长波段具有高光敏性和有效吸收可见光，且转换效率高于非晶硅薄膜电池，工业规模生产的转换效率达到15%。虽然国内的研究工作才起步，但多晶硅太阳能电池片效率已达15%。经过各国的不断改进、创新，多晶硅薄膜电池制作工艺日趋成熟，也将带领太阳能电池进入新的发展领域。
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