二氧化钛纳米晶和团聚体的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池因其制备工艺简单、成本低廉和相对较高的光电转化效率等优势倍受关注。光阳极作为染料敏化太阳能电池的核心部件，起着负载染料、传输电子和增加光散射的作用。染料敏化太阳能电池通常采用纳晶TiO_2介孔薄膜光阳极。最近，一种新型的TiO_2亚微米团聚体被报道出来，因其具有比表面积大、优良的光散射性能等特点，因此是有希望突破当前染料敏化太阳能电池性能的新型光阳极材料。本文分别采用水热法和溶胶凝胶-水热法分别制备纳晶TiO_2和TiO_2亚微米团聚体；分别研究了不同膜厚的纳米晶的电池性能和基于二者的分级结构的电池性能。主要研究内容如下： （1）利用水热法可控合成了9～40nm范围内的纳晶TiO_2，研究了反应温度、反应时间、乙二醇量对纳米颗粒尺寸、形貌、孔径和孔分布的影响。未添加乙二醇时，TiO_2纳米颗粒孔尺寸严重依赖于粒径尺寸。乙二醇存在时显著降低钛盐水解，利于合成大颗粒TiO_2；EG含量低时，孔尺寸变化规律仍然严重依赖于颗粒尺寸的变化，但EG含量高时，随着粒径尺寸的增加，TiO_2纳米颗粒材料的孔尺寸反而降低。将上述TiO_2纳米颗粒制备成不同膜厚的电池。测试表明，增加膜厚能显著地提高光阳极的光吸收能力，当进一步增加膜厚至19.2μm时，尽管在低波段的吸收能力达到极限，但可以继续增强光阳极对红区的光的吸收能力。随着膜厚增加，短路电流密度先快速增加然后增加缓慢，而开路电压逐渐减小，电池效率先增加后减小，在膜厚8.6μm时，电池效率3.67%，继续增加膜厚至19.2μm时，电池效率降低。 （2）溶胶凝胶-水热法成功可控制制备出平均尺寸200～600nm的TiO_2亚微米团聚体。十八胺的量、水量、静置时间、水热时间和水热温度对亚微米团聚体尺寸和表面形貌均有影响，而氨水只会调控亚微米团聚体的表面颗粒形貌和粗糙度，但是氨水量过多也会导致亚微米团聚体及表面纳米形貌破坏。测试表明，亚微米团聚体TiO_2和纳晶TiO_2分级结构的光阳极的紫外可见吸收能力在整个测试波段均有大幅提高，且拓宽了光吸收范围。亚微米团聚体TiO_2和纳晶TiO_2分级结构的电池的短路电流密度、电池效率均为纯纳晶TiO_2的近两倍，电池开路电压也有所提高。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 光阳极 纳晶TiO_2 亚微米团聚体 水热法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 太阳能电池概述11-17
• 1.2.1 太阳能电池分类12
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池结构及工作原理12-14
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池技术指标14-16
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池发展进程16-17
• 1.3 染料敏化太阳能电池光阳极研究现状17-23
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池光阳极材料种类17-19
• 1.3.2 光阳极掺杂、包覆和修饰处理19-20
• 1.3.3 光阳极结构优化处理20-21
• 1.3.4 光阳极材料形貌改性研究21-23
• 1.4 二氧化钛光阳极制备方法23
• 1.5 课题来源及研究内容23-26
• 1.5.1 研究课题的来源23-25
• 1.5.2 课题研究内容25-26
• 第2章 实验材料与研究方法26-34
• 2.1 实验材料26-27
• 2.1.1 主要化学试剂26-27
• 2.1.2 其他辅助材料27
• 2.2 主要实验仪器设备27-28
• 2.3 染料敏化太阳能电池器件制备方法28-31
• 2.3.1 纳晶TiO_2合成28
• 2.3.2 亚微米团聚体结构TiO_2合成28-29
• 2.3.3 TiO_2浆料制备29
• 2.3.4 光阳极制备29-30
• 2.3.5 TiO_2光阳极敏化处理30
• 2.3.6 纳米铂对电极制备30
• 2.3.7 器件封装30-31
• 2.4 物理性质表征31-32
• 2.4.1 X射线衍射分析31
• 2.4.2 扫描电镜（SEM）分析31
• 2.4.3 氮气吸脱附测试（BET）分析31-32
• 2.5 电池性能表征方法32-34
• 2.5.1 电流密度-电压曲线测试32
• 2.5.2 入射单色光子-电子转化效率（IPCE）测试32
• 2.5.3 电化学阻抗谱测试32-33
• 2.5.4 紫外可见吸收光谱分析33-34
• 第3章 纳米二氧化钛制备及电池性能研究34-51
• 3.1 引言34
• 3.2 二氧化钛纳米颗粒水热制备34-45
• 3.2.1 水热反应时间的影响35-38
• 3.2.2 水热反应温度的影响38-40
• 3.2.3 乙二醇的影响40-45
• 3.3 基于纳米TIO_2的染料敏化太阳能电池性能研究45-50
• 3.3.1 不同膜厚光阳极膜的构筑和制备45-46
• 3.3.2 紫外可见吸收光谱研究46-47
• 3.3.3 电池性能研究47-49
• 3.3.4 电池阻抗测试分析49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 亚微米团聚体二氧化钛制备及电池性能研究51-70
• 4.1 引言51
• 4.2 亚微米团聚体TIO_2制备51-65
• 4.2.1 前驱体产物分析52-53
• 4.2.2 十八胺含量的影响53-56
• 4.2.3 水含量的影响56-58
• 4.2.4 静置时间的影响58-60
• 4.2.5 氨水含量的影响60-62
• 4.2.6 水热温度的影响62-63
• 4.2.7 水热时间的影响63-65
• 4.3 基于TIO_2亚微米团聚体的染料敏化太阳能电池性能研究65-68
• 4.3.1 亚微米团聚体光阳极的构筑和制备65-66
• 4.3.2 紫外可见光谱研究66
• 4.3.3 电池性能研究66-68
• 4.4 本章小结68-70
• 结论70-71
• 参考文献71-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果80-82
• 致谢82

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