染料敏化太阳能电池TiO_2光阳极的制备与性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池凭借其成本低廉、工艺较简单、光电转化效率较高而具有较好的应用前景。本文对刮涂法制备二氧化钛薄膜光阳极的工艺进行了优化，分别制备了零维和一维纳米材料作为光阳极，进行光电性能表征，利用电化学阻抗法研究了电子在TiO2薄膜电极的传输和复合情况。 刮涂法制备TiO2光阳极薄膜最佳工艺是，采用含质量分数18%TiO2、9%乙基纤维素和73%松油醇的粘稠浆料，经过TiCl4处理后，厚度为18μm，光照1分钟，光电转化效率可达6.27%。采用喷涂法制备了较大面积TiO2光阳极薄膜电极，表明薄膜面积越大，光电转化效率越低。 采用溶胶-凝胶法，以钛酸丁酯和二乙醇胺为钛源和氮源，制备出锐钛矿-金红石混晶的氮掺杂二氧化钛，以X射线衍射光谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见光漫反射光谱(UV-Vis DRS)等表征手段，研究了氮掺杂二氧化钛的晶型、形貌以及可见光活性，结合甲基橙的光催化降解实验，确定最佳制备工艺条件为：钛酸丁酯：二乙醇胺：水：冰乙酸：无水乙醇（摩尔比）=1：0.6：2：1：11，硝酸添加量为0.24ml，煅烧温度为550℃。光电转化性能测试结果表明，光电转化效率为2.34%，填充因子为0.49。 采用阳极氧化法，以NH4F/乙二醇作为电解质溶液，在纯钛片上制备了TiO2纳米管阵列。扫描电子显微镜(SEM)结果表明，NH4F浓度为0.5wt％，氧化电压为40V，氧化时间为2h，稀酸超声处理后，可得到较理想的TiO2纳米管阵列。光电转化性能测试表明，光电转化效率最高可达到1.17%。通过二次阳极氧化技术，成功剥离完整的透明TiO2纳米管阵列薄膜，结合超声分散技术，与商业级TiO2混合制备光阳极浆料，光电转化效率结果表明，纳米管的掺入可以提高TiO2薄膜光阳极电子的传输效率，光电转化效率为6.52%。 【关键词】：光阳极 染料敏化太阳能电池 制备 性能 二氧化钛
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TQ134.11
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 染料太阳能电池的结构及工作原理9-10
• 1.2 二氧化钛光阳极材料10-16
• 1.2.1 TiO_2纳米晶薄膜电极的制备方法10-11
• 1.2.2 光阳极纳米管阵列薄膜的制备方法11-13
• 1.2.3 TiO_2纳米管阵列在染料敏化太阳能电池中的应用13
• 1.2.4 TiO_2纳米管阵列的修饰改性13-16
• 1.3 染料敏化剂16-18
• 1.4 电解液18-20
• 1.5 课题研究背景与内容20-21
• 第二章 实验及测试方法21-25
• 2.1 实验药品与仪器21-22
• 2.2 结构表征与性能测试22-25
• 2.2.1 光电转化性能测试22-24
• 2.2.2 X 射线衍射（XRD）24
• 2.2.3 扫描电子显微镜分析（SEM）24
• 2.2.4 交流阻抗技术（EIS）24
• 2.2.5 紫外可见光谱分析（UV-VIS）24-25
• 第三章 染料敏化太阳能电池 TiO_2光阳极薄膜的制备25-39
• 3.1 引言25
• 3.2 实验部分25-28
• 3.2.1 刮涂法制备 TiO_2光阳极薄膜25-27
• 3.2.2 TiCl4改性处理27-28
• 3.2.3 喷涂法制备 TiO_2光阳极薄膜28
• 3.3 结果与讨论28-38
• 3.3.1 薄膜电极的 SEM 形貌表征28-29
• 3.3.2 暗电流对 DSSC 光电转化性能的影响29-30
• 3.3.3 光照时长对 DSSC 光电转化性能的影响30-32
• 3.3.4 膜层厚度对 DSSC 光电转化性能的影响32-33
• 3.3.5 TiCl4处理对 DSSC 光电转化性能的影响33-34
• 3.3.6 喷涂法制备较大面积 TiO_2光阳极34-36
• 3.3.7 电化学阻抗谱研究36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 氮掺杂纳米 TiO_2光阳极的制备39-57
• 4.1 引言39
• 4.2 实验方法39-41
• 4.2.1 氮掺杂 TiO_2粉末的制备39-40
• 4.2.2 制备氮掺杂 TiO_2影响因素的条件实验40-41
• 4.2.3 甲基橙的光催化降解实验41
• 4.3 结果与讨论41-55
• 4.3.1 制备氮掺杂纳米 TiO_2的影响因素41-44
• 4.3.2 X-射线衍射光谱分析(XRD)44-47
• 4.3.3 扫描电子显微镜分析(SEM)47-48
• 4.3.4 紫外-可见吸收光谱分析(UV-Vis)48-52
• 4.3.5 氮掺杂 TiO_2样品降解甲基橙的光催化性能研究52-54
• 4.3.6 氮掺杂 TiO_2的光电转化性能54-55
• 4.4 本章小结55-57
• 第五章 TiO_2纳米管阵列光阳极的性能研究57-71
• 5.1 引言57-58
• 5.2 实验方法58-60
• 5.2.1 TiO_2纳米管阵列的制备58-59
• 5.2.2 TiO_2纳米管阵列的剥离实验59
• 5.2.3 TiO_2纳米管与 P25 混合薄膜的制备59-60
• 5.3 结果与讨论60-70
• 5.3.1 各考察因素对 TiO_2纳米管阵列形貌的影响60-63
• 5.3.2 TiO_2纳米管阵列的光电转化性能63-65
• 5.3.3 电化学交流阻抗分析65-67
• 5.3.4 可透光 TiO_2纳米管阵列的制备67-68
• 5.3.5 TiO_2纳米管-P25 混合薄膜的制备68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第六章 结论71-72
• 参考文献72-77
• 发表论文和参加科研情况说明77-78
• 致谢78

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