化学方法合成TiO_2纳米结构以及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：二氧化钛（TiO2）作为一种优良的光催化剂以及它在太阳能电池、电致变色器件中的广泛应用，已经引起了人们越来越多的关注。TiO2分类为三种晶型：钛锐矿，金红石和板钛矿。由于金红石的高化学稳定性，大的比表面积和低成本的优点，它更适合作为太阳能电池器件的材料。制备二氧化钛的方法有很多种，其中水热法具有成本较低，工艺简单，制备的晶体结晶性好，无需后续处理等优点，因此采用水热法是一项很有应用前景的方法。 本论文中采用了三氯化钛作为钛源，在低温的条件下应用水热法化学合成了三维纳米花结构。影响TiO2纳米结构合成的性质的因素有很多种，主要包括反应温度，反应时间，溶液浓度等。而酸碱度对于形成TiO2纳米结构的影响还没有人进行研究。在溶液中涉及到HCl和尿素等试剂，改变它们的配比就可以控制溶液的酸碱度。由于在实验过程当中涉及到Ti3+的水解反应，所以改变溶液的酸碱度会影响到反应速率的快慢，影响膜厚。所以溶液的酸碱度会影响到TiO2纳米结构的表面形貌。在不同的酸碱度中TiO2的生长情况也不相同。通过实验结果的观察和表征，可以得到一个最佳的酸碱度，即生长环境，获得了具有较好吸收的金红石态的TiO2三维纳米花结构，粒径为2μm。此外，还研究了前驱体溶液的搅拌时间以及前驱体溶液中添加剂的种类对于合成TiO2纳米结构的影响。通过对这三个影响合成TiO2纳米结构的因素进行研究，可以更好的实现TiO2纳米结构的可控性生长。 最后，把实验中制备的最优化TiO2纳米结构通过丝网印刷的方法制备成光阳极，组装成染料敏化太阳能电池。该电池的对比电池为同样条件下商用的P25组装成的染料敏化太阳能电池。把该电池的性能与商用的P25组装成的染料敏化太阳能电池的性能进行了光电测试对比分析。实验结果显示用化学方法合成的TiO2纳米结构在光电转换效率上显示出了更加优良的性能。 【关键词】：纳米结构 二氧化钛 尿素 酸碱度 前驱体溶液 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O643.36;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-21
• 1.1 前言7-10
• 1.1.1 太阳能电池的发展9
• 1.1.2 太阳能电池的种类9-10
• 1.2 研究背景10-15
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的工作原理及特点10-15
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的研究进展15
• 1.3 光阳极 TiO_2晶型分类及研究进展15-19
• 1.3.1 TiO_2不同晶型分类15-17
• 1.3.2 不同制备方法下光阳极 TiO_2薄膜的研究进展17-19
• 1.4 本论文的研究动机及意义19-21
• 第二章 实验原理及测试手段21-40
• 2.1 TiO_2纳米结构的形成机理21-22
• 2.2 TiO_2三维分层纳米花结构的化学方法合成22-23
• 2.2.1 试验原料及仪器22
• 2.2.2 化学合成制备 TiO_2纳米结构22-23
• 2.2.3 不同条件下制备 TiO_2纳米结构23
• 2.3 TiO_2纳米结构的凝胶溶胶处理及染料敏化太阳能的制备23-25
• 2.4 用于表征 TiO_2纳米结构及染料敏化太阳能电池的测试手段及基本原理的描述25-40
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）26-28
• 2.4.2 紫外可见分光光度计（UV-vis）28-30
• 2.4.3 X 射线衍射（XRD）30-32
• 2.4.4 原子力显微镜（AFM）32-34
• 2.4.5 太阳能电池光电转换效率（IPCE）34-36
• 2.4.6 光电流-光电阻（I-V）曲线36-40
• 第三章 不同条件下 TiO_2纳米结构的化学方法合成的表面形貌、晶型及性质分析40-53
• 3.1 扫描电子显微镜（SEM）结果与分析40-48
• 3.2 紫外可见吸收光谱（UV-vis）的比较和分析48-50
• 3.3 X 射线衍射（XRD）结果与分析50-51
• 3.4 原子力显微镜（AFM）的结果与分析51
• 3.5 本章小结51-53
• 第四章 化学方法合成的TiO_2纳米结构与P25制备的染料敏化太阳能电池性能的对比53-56
• 4.1 太阳能电池光电转换效率（IPCE）结果与分析53-54
• 4.2 电流-电阻曲线（I-V）结果与分析54-56
• 第五章 结论与未来展望56-57
• 5.1 结论56
• 5.2 未来展望56-57
• 参考文献57-62
• 发表论文和参加科研情况62-63
• 致谢63

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