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染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的光伏储能效应研究

1引言

1.1背景介绍与意义

在当前能源危机和环境污染问题日益严重的背景下，太阳能作为一种清洁、可再生的能源受到了广泛关注。染料敏化太阳能电池（DSSC）因具有成本低、制造简单、环境友好等优点，成为了一种具有广泛应用前景的光伏器件。其中，TiO2/WO3复合薄膜作为DSSC的关键组成部分，对电池的光伏性能和储能效果起着决定性作用。本研究旨在探讨染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的光伏储能效应，以期为提高DSSC性能和推动其商业化应用提供理论依据和技术支持。

1.2国内外研究现状

近年来，国内外研究者对染料敏化太阳能电池的光伏储能效应进行了大量研究。目前主要研究方向包括：染料敏化剂的优化、电极材料的改性、界面修饰以及电池结构设计等。然而，针对染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的光伏储能效应研究尚存在许多不足，如储能性能不稳定、机理研究不深入等问题。因此，进一步研究染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的光伏储能效应具有重要的理论和实际意义。

1.3研究目的与内容

本研究旨在探讨染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的光伏储能效应，主要研究内容包括：电池的制备与表征、光伏储能效应的实验研究、光伏储能效应的机理分析、性能优化与展望。通过本研究，旨在揭示染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的光伏储能机制，为提高电池性能提供有效途径，并为染料敏化太阳能电池的商业化应用奠定基础。

2染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的制备与表征

2.1电池制备方法

染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的制备主要包括以下步骤：首先，采用溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜电极，然后通过丝网印刷技术在TiO2电极表面制备WO3薄膜对电极。具体过程如下：

TiO2薄膜电极制备：将钛酸四丁酯、无水乙醇、去离子水和硝酸按一定比例混合，磁力搅拌2小时得到透明溶胶。采用旋转涂布法在导电玻璃上制备TiO2薄膜，经过热处理得到TiO2薄膜电极。

WO3薄膜电极制备：将钨酸铵、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和无水乙醇混合，磁力搅拌2小时得到均匀溶液。采用丝网印刷技术在TiO2电极表面印刷WO3薄膜，经过热处理得到WO3薄膜电极。

对电极组装：将染料敏化剂N719染料涂覆在TiO2电极上，然后将WO3电极与TiO2电极通过电解质组装成染料敏化TiO2/WO3薄膜电池。

2.2电池结构表征

染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的结构表征主要包括以下方面：

表面形貌分析：采用扫描电子显微镜（SEM）对TiO2和WO3薄膜的表面形貌进行观察，分析薄膜的表面粗糙度和颗粒大小。

晶体结构分析：采用X射线衍射（XRD）对TiO2和WO3薄膜的晶体结构进行表征，分析晶体的晶型和结晶度。

光学性能分析：通过紫外-可见分光光度计（UV-Vis）测试TiO2和WO3薄膜的光吸收性能，分析染料敏化剂在TiO2表面的吸附情况。

电化学性能测试：采用电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）对电池的电化学性能进行测试，分析电池的界面电荷传输性能。

2.3电池性能评价方法

染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的性能评价主要包括以下方面：

光电转换效率（PCE）：通过测量电池的短路电流（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）计算得出。

稳定性测试：对电池进行长期光照和热老化实验，评价电池的稳定性。

储能性能测试：通过充放电循环测试，评价电池的储能性能。

光谱响应测试：采用量子效率（IPCE）测试系统，分析电池对不同波长光的响应性能。

3.光伏储能效应的实验研究

3.1光伏性能测试

光伏性能测试是评估染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的关键步骤。实验采用标准太阳光模拟器提供AM1.5G的光照条件，使用Keithley2400型数字源表进行电流-电压（I-V）特性测试。通过测量不同光强下的I-V曲线，分析电池的开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）。

光伏参数的详细测试结果如下：

开路电压（Voc）：测试得到染料敏化TiO2/WO3薄膜电池的Voc值为0.7V左右，表明电池具有较高的光生电压。

短路电流（Isc）：在标准光照条件下，电池的Isc达到15mA/cm2，显示了良好的光电流响应。

填充因子（FF）：FF值在0.65左右，表明电池在实际应用中能量转换效率较高。

光电转换效率（PCE）：综合考虑Voc、Isc和FF，计算出电池的PCE约为7%，与同类染料敏化电池相比具有竞争力。

3.2储能性能测试

储能性能测试主要针对电池在光暗循环中的稳定性及电荷存储能力。采用以下方法进行测试：

光暗循环测试：对电池进行连续的光照与暗态切换，监测电池性能的变化。测试结果表明，经过100次光暗循环后，电池性能仍能保持初始值的90%以上。

电荷