用于染料敏化太阳能电池的纳米TiO_2的制备及性能的研究

【摘要】：TiO_2是一种化学性质稳定,安全无毒,使用寿命长,成本低廉的半导体材料,有良好的光学透过性,较高的折射率和化学稳定性,在太阳能电池方面有广泛的应用前景。而对于TiO_2的形貌控制和结构改性一直是染料敏化太阳能电池(DSSC)领域的一个研究热点。溶剂热/溶胶-凝胶法是实现锐钛矿相TiO_2纳米棒制备和改性的有效方法,而单一的合成方法很难实现纳米棒的可控制备、生长和改性。在本论文中,以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)长链分子为模板剂,以小分子有机胺为结构导向剂,通过溶剂热/溶胶-凝胶法合成了具有一维结构的锐钛矿相纳米TiO_2,并对反应时间,反应温度和小分子有机胺的种类对于锐钛矿相纳米TiO_2的生长进行了系统研究。结果表明,溶剂热时间和有机胺的种类对于一维锐钛矿相TiO_2相貌和结构有重要影响。溶剂热时间从6h到12h,晶体沿着C轴方向生长,从12h之后,TiO_2晶体在C轴方向基本上没有生长;加入伯胺小分子,有利于制备规整的TiO_2纳米棒,加入仲胺小分子制备的是不规整的TiO_2纳米棒,加入叔胺小分子制备的TiO_2呈椭球型结构。研究表明,通过控制反应时间和添加剂的种类可以实现一维锐钛矿相TiO_2结构与形貌的控制制备。 通过过渡金属离子掺杂对TiO_2进行改性,采用XRD,XPS,UV-vis对掺杂后的TiO_2的结构和性能进行了表征。通过XRD表明,Cd~(2+)和Cr~(3+)掺杂纳米TiO_2在掺杂量达到或高于5%时会有新相产生,呈现混晶结构;类似的Fe~(3+)掺杂纳米TiO_2在掺杂量达到6%和时会有新相产生,Zn~(2+)掺杂纳米TiO_2在掺杂量达到11%时,Cr~(3+)掺杂纳米TiO_2在掺杂量达到5%时均观察到混晶结构的出现。混晶的结构不利于电子的传输,所以我们对掺杂后仍为单相的TiO_2进行了测试。XPS测试结果表明:过渡金属离子掺杂TiO_2中,过渡金属离子都主要是以取代Ti~(4+)离子的形式存在的,因为这四种过渡金属离子与Ti~(4+)离子具有相似的离子半径和电负性。根据文献报道掺杂方式都是取代Ti~(4+)离子,占据Ti~(4+)离子的格点。Uv-vis光谱表明,这四种过渡金属离子掺杂都能改变TiO_2对可见光吸收范围,并且掺杂后的TiO_2的吸收带边发生了红移。机理研究发现,这是因为当过渡金属离子进入TiO_2晶格后产生了新的化学环境,这种新的化学环境在TiO_2的禁带中产生了新的能级结构,这种能级结构降低了TiO_2的禁带宽度,促使TiO_2的吸收带边发生了红移。 为了深入探讨过渡金属离子掺杂后对于TiO_2的能级结构的改变机理,本论文通过Materials Studio软件对过渡金属离子掺杂锐钛矿相TiO_2进行了第一性原理的研究。研究发现,过渡金属离子掺杂可以在TiO_2的能级基础上产生新的能级,这种能级与TiO_2本身的能级结构构成了一种交错能级结构,它可以有效的降低TiO_2的禁带宽度,改变样品导带能级的位置,对于提高TiO_2的应用性范围有很大的帮助。 【关键词】：溶剂热/溶胶-凝胶法 TiO_2纳米棒 掺杂 模拟
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 太阳能电池的发展的意义12-15
• 1.2 太阳能电池的分类及发展现状15-22
• 1.2.1 硅太阳能电池16-18
• 1.2.2 半导体太阳能电池18-20
• 1.2.3 有机太阳能电池20-22
• 1.3 染料敏化太阳能电池及发展22-26
• 1.4 染料敏化纳米晶TiO_2电池的工作原理26-29
• 1.4.1 染料敏化太阳能电池中的电子传输机理26-28
• 1.4.2 纳米晶TiO_2在电池中的作用28-29
• 1.5 纳米晶TiO_2电极的研究现状29-34
• 1.5.1 纳米晶TiO_2电极形貌的研究和进展29-32
• 1.5.2 纳米晶TiO_2电极过渡金属掺杂的研究和进展32-33
• 1.5.3 存在的主要问题33-34
• 1.6 课题的提出34-36
• 1.6.1 本课题工作设想34
• 1.6.2 课题的研究内容及方法34-35
• 1.6.3 本论文的创新点35-36
• 第二章 锐钛矿相TiO_2纳米棒的合成及不同形貌的控制36-50
• 2.1 实验部分37-38
• 2.1.1 实验药品37
• 2.1.2 样品的制备37-38
• 2.2 样品的表征38-39
• 2.2.1 X射线衍射仪(XRD)38
• 2.2.2 透射电子显微镜(TEM)38-39
• 2.2.3 紫外-可见光谱仪(UV-vis)39
• 2.3.4 热失重分析(TG)39
• 2.3 结果与讨论39-46
• 2.3.1 煅烧温度的确定39-41
• 2.3.2 有机胺对TiO_2纳米棒一维生长的影响41-45
• 2.3.3 反应温度和陈化时间对TiO_2纳米棒一维生长的影响45-46
• 2.4 不同形貌的制备46-49
• 2.4.1 TiO_2纳米颗粒的制备46-47
• 2.4.2 介孔TiO_2的制备47-48
• 2.4.3 不同形貌的UV-vis光谱分析48-49
• 2.5 本章小结49-50
• 第三章 掺杂TiO_2纳米棒光电性能的研究50-66
• 3.1 实验部分51
• 3.1.1 实验药品51
• 3.1.2 样品的制备51
• 3.2 样品的表征51-53
• 3.2.1 X射线衍射仪(XRD)51-52
• 3.2.2 透射电子显微镜(TEM)52
• 3.2.3 紫外-可见光谱仪(UV-vis)52-53
• 3.2.4 扫描电镜分析(TEM)53
• 3.3 结果与讨论53-65
• 3.3.1 Cd~(2+)掺杂TiO_2纳米棒的XRD分析53-54
• 3.3.2 Cd~(2+)掺杂TiO_2纳米棒的TEM分析54-55
• 3.3.3 Cd~(2+)掺杂TiO_2纳米棒的XPS分析55-56
• 3.3.4 Cd~(2+)掺杂TiO_2纳米棒的UV-vis分析56-57
• 3.3.5 TiO_2的禁带宽度计算57-58
• 3.3.6 Zn~(2+)、Cr~(3+)、Fe~(3+)离子掺杂TiO_2纳米棒的XRD分析58-61
• 3.3.7 Zn~(2+)、Cr~(3+)、Fe~(3+)离子掺杂TiO_2纳米棒的UV-vis分析61-63
• 3.3.8 Zn~(2+)、Cr~(3+)、Fe~(3+)离子掺杂TiO_2纳米棒的XPS分析63-65
• 3.4 本章小结65-66
• 第四章 过渡金属离子掺杂锐钛矿相TiO_2第一性原理的研究66-73
• 4.1 模型的构建与计算方法67-69
• 4.1.1 模型的建立67-68
• 4.1.2 计算方法68-69
• 4.2 结果与讨论69-72
• 4.2.1 几何结构优化69
• 4.2.2 纯锐钛矿相TiO_2和掺杂后TiO_2的能带结构69-72
• 4.3 本章小结72-73
• 参考文献73-83
• 攻读学位期间发表的学术论文目录83-84
• 致谢84

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