基于氧化钛纳米管阵列光阳极的染料敏化太阳能电池的研究

【摘要】：Ti02具有优良的光敏、气敏和光电等特性,在光催化降解污染物、各种传感器和太阳能电池等高新技术领域有着广泛而重要的应用,己成为国内外研究的热点半导体材料。一维TiO2纳米管具有排列规则的特殊结构、较大的比表面积以及较强的吸附能力,表现出较高的光催化性能与光电转换效率。本论文采用制备工艺简单的电化学阳极氧化法制备具有直接电子传输通道的Ti02纳米管阵列薄膜,通过采用TiCl4处理、TiO2溶胶处理和对溶胶颗粒进一步掺杂等方法对纳米管阵列光阳极进行了一系列表面处理,显著提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。 采用两步电化学阳极氧化法在Ti箔上制备出排列规则、高度有序的Ti02纳米管阵列薄膜,通过调节阳极氧化时间和温度控制纳米管阵列膜的厚度,并对纳米管的形成机制进行了研究。而且,我们成功地实现了Ti02纳米管阵列薄膜的剥离、转移和电池组装,在模拟标准太阳光照射下对电池进行光电性能的测试。 为了提高电池的光电能量转换效率,我们对光阳极分别进行了以下优化处理： [1]通过TiC14处理将直径约为10nm的TiO2颗粒引入到纳米管阵列中,由于引入的颗粒增加了纳米管的比表面积,显著地增大了光阳极对染料分子的吸附量,采用0.04MTiCl4处理时,获得了3.13%的光电能量转换效率,在浓度不变的情况下,对光阳极进行不同时间处理,电池的能量转换效率从纯管的4.70%增加到7.63%。 [2]采用溶胶-凝胶法成功制备出TiO2溶胶,将纳米管阵列膜进行浸泡处理后,成功地在纳米管阵列中引入了直径约为20nm的TiO2颗粒。实验发现,TiO2溶胶处理纳米管阵列的较佳时间为0.5-2小时,获得了9.6%以上的能量转换效率,处理2小时可以获得9.86%的最高转换效率。电池效率的提高一方面是由于颗粒引入带来的光阳极表面积增加,另一方面是由于引入20nm的颗粒,可以实现有效的颈部连接,避免传输过程中载流子的界面复合；更重要的是由于溶胶制备过程中氨水和酒精的添加导致大量的羟基基团被引入到氧化钛表面,与染料分子中的羧基基团进行结合,提高了纳米管阵列对染料的吸附量,从而显著提高了电池的短路电流和能量转换效率。 [3]进一步在氧化钛溶胶制备过程中引入W掺杂,将掺杂颗粒引入到氧化钛纳米管阵列中。实验发现,适量的W掺杂可以调控光阳极的导带位置正移,提高光生载流子从激发态的染料分子注入到半导体导带的效率,同时可以抑制载流子在传输过程中与氧化态染料和电解液中13-的复合,当掺杂含量为0.8wt%时,电池的光电能量转换效率达到10.11%。 【关键词】：TiO_2纳米管阵列薄膜 染料敏化太阳能电池 TiCl_4修饰 TiO_2溶胶处理 W掺杂处理
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太阳能电池概述12-13
• 1.2.1 太阳能电池的研究背景12
• 1.2.2 太阳能电池的分类12-13
• 1.3 染料敏化太阳能电池简介13-14
• 1.4 TiO_2纳米管的制备及应用14-16
• 1.5 本论文的研究目的及研究内容16-17
• 第2章 实验仪器与测试方法17-21
• 2.1 实验所用仪器17-18
• 2.2 实验测试方法18-21
• 2.2.1 样品的形貌测试18-19
• 2.2.2 样品的物相测试19-20
• 2.2.3 光电性能测试20-21
• 第3章 TiO_2纳米管阵列膜的制备21-25
• 3.1 TiO_2纳米管阵列的制备21-22
• 3.2 TiO_2纳米管的性能测试22-23
• 3.2.1 TiO_2纳米管的形貌测试22-23
• 3.2.2 TiO_2纳米管的物相测试23
• 3.3 TiO_2纳米管的形成机制23-24
• 3.4 小结24-25
• 第4章 染料敏化太阳电池的制备及性能优化25-35
• 4.1 引言25
• 4.2 染料敏化太阳电池的结构与工作原理25-27
• 4.2.1 染料敏化太阳电池的结构25-26
• 4.2.2 染料敏化太阳电池的工作原理26-27
• 4.3 基于TNT阵列膜DSSC的结构与制备27-29
• 4.3.1 基于TNT/FTO光阳极DSSC的结构27
• 4.3.2 基于TNT/FTO光阳极DSSC的制备27-29
• 4.4 基于TNT/FTO光阳极DSSC的光电性能测试29
• 4.5 TiCl_4处理基于TNT/FTO光阳极DSSC的性能测试29-33
• 4.5.1 光阳极的形貌测试29-30
• 4.5.2 光阳极的物相测试30-31
• 4.5.3 DSSC的光电性能测试31-33
• 4.6 小结33-35
• 第5章 TiO_2溶胶处理染料敏化太阳电池光阳极35-48
• 5.1 TiO_2溶胶的制备36
• 5.2 基于TiO_2/FTO光阳极的DSSC的组装36
• 5.3 基于TiO_2/FTO光阳极DSSC的性能测试36-47
• 5.3.1 光阳极的形貌结构测试36-38
• 5.3.2 光阳极的物相测试38-40
• 5.3.3 不同光阳极DSSC的光电性能测试40-43
• 5.3.4 TiO_2溶胶处理的TNT阵列DSSC的性能参数43-47
• 5.4 小结47-48
• 第6章 W掺杂处理染料敏化太阳电池光阳极48-54
• 6.1 W掺杂溶胶的制备48
• 6.2 基于W掺杂光阳极DSSC的性能测试48-53
• 6.2.1 基于W掺杂光阳极DSSC的光电性能测试48-52
• 6.2.2 W掺杂光阳极的物相测试52-53
• 6.3 研究中存在的困难53-54
• 结论54-56
• 参考文献56-61
• 附录61-62
• 致谢62-63

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