微纳结构钴镍薄膜制备及其在染料敏化太阳能电池中应用研究
染料敏化太阳能电池被认为是光伏器件中最有发展前景的一种太阳能电池。其中，对电极是电池最重要的组成部分。然而，最常用的铂对电极存在资源有限，且制备成本高等缺点。因此，探索出一种电催化性能优异、成本低的对电极是染料敏化太阳能电池一个热点研究方向。本论文将采用电化学沉积法在导电玻璃上制备钴镍薄膜。通过结构形貌与物相表征，可得钴镍薄膜呈现颗粒状。以钴镍薄膜为染料敏化太阳能电池对电极，电化学测试结果表明钴镍对电极的电催化性能不如铂对电极的性能。基于钴镍薄膜的染料敏化太阳能电池能量转换效率也小于基于铂对电极的电池效率。本实验结果为进一步制备钴镍光子晶体以及探索其在染料敏化太阳能电池中应用提供实验基础。关键词 染料敏化太阳能电池，电化学沉积，钴镍薄膜，对电极目 录
1 绪论 1
1.1 太阳能电池现状 1
1.2 染料敏化太阳能电池工作原理 1
1.3 染料敏化太阳能电池研究现状 2
1.4 本文主要研究内容以及研究意义 3
2 钴镍薄膜制备 4
2.1 实验仪器与实验药品 5
2.2 实验过程 5
2.3 实验结果与讨论 7
3 染料敏化太阳能电池组装与测试 9
3.1 实验部分 9
3.2 实验结果与讨论 12
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
目前，随着经济和社会的发展，能源短缺变成了人类长期面临的重大难题之一，开发以可再生能源为主的新能源是解决这一难题的重要途径，也是发展新兴产业的突破口。“新能源”又被称为非常规能源，主要指的是太阳辐射能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能等可再生能源，也包括核能、氢能、海冰(天然气水合物)等人类新近开发的能源[1]。在诸多的新能源领域中，太阳能的资源非常丰富，并具有分布广泛、环保等优势。目前，由于诸多学者的潜心研究，光伏发电技术已经得到了不断的完善，太阳能电池的发展也已经取得了诸多的成果[2]。
1.1 太阳能电池现状
太阳能电池是指通过光电效应或者是光化学效应直接把光能转化成电能的装置，太阳能电池有时也称为太阳能光伏器件
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
能、氢能、海冰(天然气水合物)等人类新近开发的能源[1]。在诸多的新能源领域中，太阳能的资源非常丰富，并具有分布广泛、环保等优势。目前，由于诸多学者的潜心研究，光伏发电技术已经得到了不断的完善，太阳能电池的发展也已经取得了诸多的成果[2]。
1.1 太阳能电池现状
太阳能电池是指通过光电效应或者是光化学效应直接把光能转化成电能的装置，太阳能电池有时也称为太阳能光伏器件，简称光伏器件[3]。目前，以光电效应和光化学效应工作的太阳能电池已经成为了主流。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机聚合物太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池等。
目前，由于太阳能组件产能的迅速扩大，市场供早已过于求，导致产品价格在不断的下滑，市场竞争也在不断加剧，太阳能电池企业普遍出现了亏损现象。因在成本控制方面不及亚洲地区，美欧的企业更是陷入了困境。而作为太阳能电池主流产品的晶体硅太阳能电池因其价格高昂，更是令太阳能电池企业苦不堪言[4]。薄膜太阳电池也存在诸多缺点，例如：光电转换效率低，不稳定等。与此同时，染料敏化太阳能电池因其原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单等诸多优势，被认为是光伏器件中最有发展前景的一种太阳能电池，当然也就成为了世界各国科研人员的研究对象。
1.2 染料敏化太阳能电池工作原理
图1 DSSC工作原理图
染料敏化太阳能电池的工作原理如图1所示，当有太阳光照射到光阳极上面时，染料分子由基态跃迁至激发态，然后处于激发态的染料分子将向半导体导带中注入电子，电子经过半导体薄膜将扩散至导电基底上，然后再经过外电路到达对电极上面。处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生，从而实现了染料的再生。同时，氧化态的电解质通过扩散到达对电极上，并与电子发生还原反应，此时电解质恢复到了原始状态，从而电子从产生到湮灭完成了一个循环过程，从而形成电流[5]。
1.3 染料敏化太阳能电池研究现状
染料敏化太阳能电池是一种由半导体薄膜，染料，电解质，对电极组成的“三明治”结构。具有低成本，高效率的特点，被认为是硅电池的有力竞争者[6]。自1991年染料敏化太阳能电池被发现以来，受到了全世界的广泛关注，染料敏化太阳能电池一直是太阳能电池领域中的一个热点[18]。
半导体薄膜
半导体薄膜在染料敏化太阳能电池中起着很重要的作用，半导体薄膜的优劣程度将会直接影响到染料的吸附量，光生电子的注入效率,进而会影响到DSSC的效率。目前TiO2薄膜因其具有很大的比表面积，可以保证染料的吸附量，而成为应用最广泛，效果最好的半导体薄膜[7]。制作半导体薄膜常用的方法是溶胶-凝胶刮膜技术，其主要的流程是：首先将异丙醇钛在低温的条件下加入到硝酸的水溶液中，其次在80℃的环境下水解8h即可获得白色的溶液，然后将所得的白色溶液浓缩并在220℃至250℃下水热反应12h；然后便可得到锐钛矿晶型的TiO2溶胶，并在TiO2溶胶中加入一定量的聚乙二醇，得到一种粘质的液体，最后将这种粘质的液体刮涂在导电基底上，经过450℃的烧结便可得到多孔TiO2薄膜[8]。
2) 染料
染料分子是染料敏化太阳能电池的光捕获天线，扮演着植物光合作用中绿叶的角色，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一[9]。理想的染料分子需要满足诸多的要求。如[7]：
a) 具有较宽的光谱响应，能够保证最大限度上利用太阳辐射。
b) 染料分子的激发态具有较高的稳定性，并且其能级要高于半导体导带底，同时两者还要有很好的轨道重叠，从而保证光生电子能够注入到半导体的导带中。
c) 带有羧基或磷酸基，因为Ti02表面的吸附基团是羧基(-COOH)和羟基(-0H)，羧基或磷酸基能使其牢固的吸附在半导体表面。
d) 为了能够保证染料的还原再生，染料分子的最高已占轨道能级要比电解液的氧化还原电势低。
e) 在自然光照射下，染料必须可重复再生约108次，以保证染料敏化太阳能电池达到约20年的寿命。
目前使用最广泛的染料敏化剂就是N719染料的配合物因为它们除了有较宽的可见光吸收带之外,还具有较高的激发态寿命。
3) 电解质
在染料敏化太阳能电池中，电解质扮演着传输电子和空穴的作用，其中的氧化还原电对，有机溶剂，添加剂以及金属离子的种类都对电池的性能有着重要的影响[10]。目前染料敏化太阳能电池中使用的电解质，主要有液态电解质，准固态电解质以及固态电解质等。液态电解质因其具有扩散速率快、光电转换效率高、组成成分易于设计和调节、对纳米多孔膜的渗透性好等诸多优点，一直被广泛应用和研究[11]。但是液态电解质具有很多的缺点，例如液态电解质易导致敏化染料脱附等，因此许多的科研学者就在探索是不是可以制造出一种固态的电解质。
4) 对电极
染料敏化太阳能电池中的对电极主要有两方面的作用，一方面对电极可以作为电池阴极传导电流，其次电解质中的I3-在对电极上接受电子还原为I-。因此，为了减少对电极上电子在传递过程中能量的损失，对电极必须满足具有低电阻和较高催化活性的条件[12]。由于铂具有良好的催化活性和导电性，因此铂电极成了常用的对电极。目前已有很多研究者利用不同的方法获得了具
1 绪论 1
1.1 太阳能电池现状 1
1.2 染料敏化太阳能电池工作原理 1
1.3 染料敏化太阳能电池研究现状 2
1.4 本文主要研究内容以及研究意义 3
2 钴镍薄膜制备 4
2.1 实验仪器与实验药品 5
2.2 实验过程 5
2.3 实验结果与讨论 7
3 染料敏化太阳能电池组装与测试 9
3.1 实验部分 9
3.2 实验结果与讨论 12
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
目前，随着经济和社会的发展，能源短缺变成了人类长期面临的重大难题之一，开发以可再生能源为主的新能源是解决这一难题的重要途径，也是发展新兴产业的突破口。“新能源”又被称为非常规能源，主要指的是太阳辐射能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能等可再生能源，也包括核能、氢能、海冰(天然气水合物)等人类新近开发的能源[1]。在诸多的新能源领域中，太阳能的资源非常丰富，并具有分布广泛、环保等优势。目前，由于诸多学者的潜心研究，光伏发电技术已经得到了不断的完善，太阳能电池的发展也已经取得了诸多的成果[2]。
1.1 太阳能电池现状
太阳能电池是指通过光电效应或者是光化学效应直接把光能转化成电能的装置，太阳能电池有时也称为太阳能光伏器件
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
能、氢能、海冰(天然气水合物)等人类新近开发的能源[1]。在诸多的新能源领域中，太阳能的资源非常丰富，并具有分布广泛、环保等优势。目前，由于诸多学者的潜心研究，光伏发电技术已经得到了不断的完善，太阳能电池的发展也已经取得了诸多的成果[2]。
1.1 太阳能电池现状
太阳能电池是指通过光电效应或者是光化学效应直接把光能转化成电能的装置，太阳能电池有时也称为太阳能光伏器件，简称光伏器件[3]。目前，以光电效应和光化学效应工作的太阳能电池已经成为了主流。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机聚合物太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池等。
目前，由于太阳能组件产能的迅速扩大，市场供早已过于求，导致产品价格在不断的下滑，市场竞争也在不断加剧，太阳能电池企业普遍出现了亏损现象。因在成本控制方面不及亚洲地区，美欧的企业更是陷入了困境。而作为太阳能电池主流产品的晶体硅太阳能电池因其价格高昂，更是令太阳能电池企业苦不堪言[4]。薄膜太阳电池也存在诸多缺点，例如：光电转换效率低，不稳定等。与此同时，染料敏化太阳能电池因其原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单等诸多优势，被认为是光伏器件中最有发展前景的一种太阳能电池，当然也就成为了世界各国科研人员的研究对象。
1.2 染料敏化太阳能电池工作原理
图1 DSSC工作原理图
染料敏化太阳能电池的工作原理如图1所示，当有太阳光照射到光阳极上面时，染料分子由基态跃迁至激发态，然后处于激发态的染料分子将向半导体导带中注入电子，电子经过半导体薄膜将扩散至导电基底上，然后再经过外电路到达对电极上面。处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生，从而实现了染料的再生。同时，氧化态的电解质通过扩散到达对电极上，并与电子发生还原反应，此时电解质恢复到了原始状态，从而电子从产生到湮灭完成了一个循环过程，从而形成电流[5]。
1.3 染料敏化太阳能电池研究现状
染料敏化太阳能电池是一种由半导体薄膜，染料，电解质，对电极组成的“三明治”结构。具有低成本，高效率的特点，被认为是硅电池的有力竞争者[6]。自1991年染料敏化太阳能电池被发现以来，受到了全世界的广泛关注，染料敏化太阳能电池一直是太阳能电池领域中的一个热点[18]。
半导体薄膜
半导体薄膜在染料敏化太阳能电池中起着很重要的作用，半导体薄膜的优劣程度将会直接影响到染料的吸附量，光生电子的注入效率,进而会影响到DSSC的效率。目前TiO2薄膜因其具有很大的比表面积，可以保证染料的吸附量，而成为应用最广泛，效果最好的半导体薄膜[7]。制作半导体薄膜常用的方法是溶胶-凝胶刮膜技术，其主要的流程是：首先将异丙醇钛在低温的条件下加入到硝酸的水溶液中，其次在80℃的环境下水解8h即可获得白色的溶液，然后将所得的白色溶液浓缩并在220℃至250℃下水热反应12h；然后便可得到锐钛矿晶型的TiO2溶胶，并在TiO2溶胶中加入一定量的聚乙二醇，得到一种粘质的液体，最后将这种粘质的液体刮涂在导电基底上，经过450℃的烧结便可得到多孔TiO2薄膜[8]。
2) 染料
染料分子是染料敏化太阳能电池的光捕获天线，扮演着植物光合作用中绿叶的角色，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一[9]。理想的染料分子需要满足诸多的要求。如[7]：
a) 具有较宽的光谱响应，能够保证最大限度上利用太阳辐射。
b) 染料分子的激发态具有较高的稳定性，并且其能级要高于半导体导带底，同时两者还要有很好的轨道重叠，从而保证光生电子能够注入到半导体的导带中。
c) 带有羧基或磷酸基，因为Ti02表面的吸附基团是羧基(-COOH)和羟基(-0H)，羧基或磷酸基能使其牢固的吸附在半导体表面。
d) 为了能够保证染料的还原再生，染料分子的最高已占轨道能级要比电解液的氧化还原电势低。
e) 在自然光照射下，染料必须可重复再生约108次，以保证染料敏化太阳能电池达到约20年的寿命。
目前使用最广泛的染料敏化剂就是N719染料的配合物因为它们除了有较宽的可见光吸收带之外,还具有较高的激发态寿命。
3) 电解质
在染料敏化太阳能电池中，电解质扮演着传输电子和空穴的作用，其中的氧化还原电对，有机溶剂，添加剂以及金属离子的种类都对电池的性能有着重要的影响[10]。目前染料敏化太阳能电池中使用的电解质，主要有液态电解质，准固态电解质以及固态电解质等。液态电解质因其具有扩散速率快、光电转换效率高、组成成分易于设计和调节、对纳米多孔膜的渗透性好等诸多优点，一直被广泛应用和研究[11]。但是液态电解质具有很多的缺点，例如液态电解质易导致敏化染料脱附等，因此许多的科研学者就在探索是不是可以制造出一种固态的电解质。
4) 对电极
染料敏化太阳能电池中的对电极主要有两方面的作用，一方面对电极可以作为电池阴极传导电流，其次电解质中的I3-在对电极上接受电子还原为I-。因此，为了减少对电极上电子在传递过程中能量的损失，对电极必须满足具有低电阻和较高催化活性的条件[12]。由于铂具有良好的催化活性和导电性，因此铂电极成了常用的对电极。目前已有很多研究者利用不同的方法获得了具
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