稀土掺杂含钛氧化物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(DSSC)常用的染料是N3和N719,其敏化电极对太阳光的吸收范围主要集中在可见光区,对紫外光及红外光却吸收很少。而稀土摻杂下/上转换发光材料,能够将不易被DSSC吸收利用的紫外光/红外光分别下转换/上转换为DSSC可以充分利用的可见光,拓宽DSSC的光谱响应范围到紫外光/红外光区,从而提高其光电转换效率。Sr Ti O3是典型的钙钛矿结构,具有禁带宽度宽、光催化活性优良等特点,在光催化、光化学电池等领域得到了广泛的应用。本文以多元半导体氧化物SrTiO3为稀土掺杂下转换发光材料的基质,并将稀土掺杂SrTiO3作为光转换剂应用于DSSC,提供一条稀土摻杂发光材料应用于DSSC以提高其光电转换效率的有效新途径。取得的主要成果如下:(1)采用固相反应法成功制备了立方结构的SrTi O3:Ho3+纳米晶,其直径为40~400nm,孔径尺寸约为45nm,用该纳米晶直接制备Sr TiO3:Ho3+下转换薄膜光阳极,探讨了稀土掺杂量对SrTiO3:Ho3+光阳极组装DSSC光电性能的影响。制备的SrTiO3:Ho3+光阳极能够将紫外光转换为被N719染料吸收利用的可见光,进而提高DSSC的短路电流密度。与SrTiO3光阳极组装DSSC相比,SrTiO3:Ho3+(Ho2O3掺杂量为1wt%)下转换光阳极组装DSSC的光电转换效率提高了近60%,实现了DSSC光电性能的大幅提高。(2)采用水热法成功制备了SrTiO3:Sm3+纳米粉体,并用St?ber方法在其表面包覆SiO2,制得具有核壳结构的SrTiO3:Sm3+@SiO2纳米粉体。将SrTiO3:Sm3+和Sr Ti O3:Sm3+@SiO2作为下转换剂分别掺杂于纳米TiO2光阳极,探讨摻杂量对Sr Ti O3:Sm3+/TiO2和SrTiO3:Sm3+@SiO2/TiO2复合光阳极组装DSSC光电性能的影响。与Sr Ti O3:Sm3+相比,SrTiO3:Sm3+@Si O2纳米粉体具有稍弱的发光强度,但均具有下转换功能,能够将紫外光转换为可见光,拓宽光谱响应范围到紫外光区。SrTiO3:Sm3+的摻杂量为10wt%时,SrTiO3:Sm3+/TiO2复合光阳极组装DSSC的光电转换效率最大为4.38%,相对于纯TiO2光阳极效率提高了27%。摻杂量均为10wt%时,与SrTiO3:Sm3+/TiO2复合光阳极相比,SrTiO3:Sm3+@SiO2/TiO2复合光阳极组装DSSC的光电转换效率也有了一定的增强,达到5.07%。光电性能的较大提高可归因于核壳结构SrTiO3:Sm3+@SiO2的抑制电子-空穴复合、对光进行散射和下转换发光三重作用。(3)以纳米TiO2为原料,采用水热法在反应时间为16h时,成功制备了TiO2纳米线/纳米粒复合粉体,利用纳米线促进电子的传输,利用高比表面积的纳米粒吸附更多的染料,TiO2纳米线/纳米粒复合光阳极组装DSSC的光电转换效率达到了2.75%。采用水热法在反应时间为24h时,成功制备了TiO2纳米线,并将Ho3+摻杂于其中制得TiO2:Ho3+下转换纳米线,探讨稀土掺杂量对TiO2:Ho3+下转换纳米线光阳极组装DSSC光电性能的影响。当Ho2O3掺杂量为4wt%时,与TiO2纳米线光阳极相比,TiO2:Ho3+下转换纳米线光阳极组装DSSC的光电转换效率提高了一倍。 【关键词】：稀土掺杂 钛酸锶 下转换发光 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-13
• 第二章 文献综述13-29
• 2.1 染料敏化太阳能电池(DSSC)13-18
• 2.1.1 DSSC的研究进展13
• 2.1.2 DSSC的工作原理13-15
• 2.1.3 DSSC的改性15-18
• 2.2 稀土元素及其发光规律18-21
• 2.2.1 稀土元素的介绍18-21
• 2.2.2 发光特性21
• 2.3 稀土掺杂发光材料及其在DSSC中的应用21-26
• 2.3.1 稀土掺杂氟化物和氟氧化物及其在DSSC中的应用21-23
• 2.3.2 稀土掺杂氧化物及其在DSSC中的应用23-26
• 2.4 本文的研究内容和创新之处26-29
• 第三章 稀土掺杂含钛氧化物的制备与表征29-35
• 3.1 实验试剂和仪器29-31
• 3.1.1 实验试剂29-30
• 3.1.2 实验仪器30-31
• 3.2 SrTiO_3:Ho~(3+)粉体的制备与表征31-32
• 3.2.1 SrTiO_3:Ho~(3+)粉体的制备31
• 3.2.2 SrTiO_3:Ho~(3+)粉体的表征31-32
• 3.3 SrTiO_3:Sm~(3+)和SrTiO_3:Sm~(3+)@SiO_2粉体的制备与表征32-33
• 3.3.1 SrTiO_3:Sm~(3+)粉体的制备32
• 3.3.2 SrTiO_3:Sm~(3+)@Si O_2粉体的制备32-33
• 3.3.3 SrTiO_3:Sm~(3+)和SrTi O_3:Sm~(3+)@SiO_2粉体的表征33
• 3.4 TiO_2纳米线/纳米粒与TiO_2:Ho~(3+)纳米线的制备与表征33-35
• 3.4.1 TiO_2纳米线/纳米粒的制备与表征33
• 3.4.2 TiO_2:Ho~(3+)纳米线的制备与表征33-35
• 第四章 基于稀土掺杂含钛氧化物的光阳极制备及DSSC的组装和测试35-38
• 4.1 致密TiO_2阻挡层的制备35
• 4.2 SrTiO_3:Ho~(3+)下转换光阳极的制备35
• 4.3 SrTiO_3:Sm~(3+)/TiO_2复合光阳极的制备35-36
• 4.4 SrTiO_3:Sm~(3+)@SiO_2/TiO_2复合光阳极的制备36
• 4.5 TiO_2纳米线/纳米粒复合光阳极的制备36
• 4.6 TiO_2:Ho~(3+)纳米线下转换光阳极的制备36
• 4.7 DSSC光阳极的敏化36-37
• 4.8 DSSC的组装和测试37-38
• 4.8.1 DSSC的组装37
• 4.8.2 DSSC的测试37-38
• 第五章 测试结果与讨论38-74
• 5.1 SrTiO_3:Ho~(3+)粉体及其下转换光阳极组装DSSC的测试结果与分析38-49
• 5.1.1 DTA分析38-39
• 5.1.2 XRD分析39-40
• 5.1.3 SEM和EDS分析40-41
• 5.1.4 BET分析41-42
• 5.1.5 FL分析42-43
• 5.1.6 UV-Vis分析43-44
• 5.1.7 光电性能分析44-49
• 5.2 SrTiO_3:Sm~(3+)粉体及SrTiO_3:Sm~(3+)/TiO_2复合光阳极组装DSSC的测试结果与分析49-53
• 5.2.1 XRD分析49
• 5.2.2 SEM和EDS分析49-50
• 5.2.3 FL分析50-51
• 5.2.4 UV-Vis分析51
• 5.2.5 光电性能分析51-53
• 5.3 SrTiO_3:Sm~(3+)@SiO_2粉体及Sr TiO_3:Sm~(3+)@SiO_2/Ti O_2复合光阳极组装DSSC的测试结果与分析53-62
• 5.3.1 XRD分析53-54
• 5.3.2 FTIR分析54-55
• 5.3.3 TEM和EDS分析55
• 5.3.4 FL分析55-57
• 5.3.5 UV-Vis分析57-58
• 5.3.6 光电性能分析58-62
• 5.4 TiO_2纳米线/纳米粒及其复合光阳极组装DSSC的测试结果与分析62-67
• 5.4.1 XRD分析62-63
• 5.4.2 SEM分析63-64
• 5.4.3 UV-Vis分析64
• 5.4.4 光电性能分析64-67
• 5.5 TiO_2:Ho~(3+)纳米线及其下转换光阳极组装DSSC的测试结果与分析67-74
• 5.5.1 SEM分析67-68
• 5.5.2 XRD分析68
• 5.5.3 FL分析68-70
• 5.5.4 UV-Vis分析70
• 5.5.5 光电性能分析70-74
• 第六章 结论74-76
• 参考文献76-84
• 致谢84-85
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文85

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