电纺丝制备TiO_2及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，简称DSC）制作工艺简单、成本低廉且光电转换效率较高，是一种很有前景的新型太阳能电池。使用一维纳米材料取代传统的TiO_2纳米颗粒制备光阳极时，由于电子传输过程得到改善，可能会提高DSC的性能。电纺丝方法（Electrospinning）是一种便捷有效的制备一维纳米纤维的方法，但是它在DSC中的应用却受到两个问题的限制：与基板间的粘附性差和总表面积小。本论文的研究目标在于解决这两个问题，使电纺丝TiO_2纳米纤维能够很好的应用于DSC中。 本论文分别使用P25和钛酸四异丙酯等原料制备了TiO_2纳米纤维，研究了溶液组成和电纺丝参数对产物形貌的影响。为了增大纳米纤维的表面积，采取了在溶液中加入P25粉进行电纺丝、使用P25粉溶液或钛酸四异丙酯溶液对TiO_2纳米纤维进行后处理、使用平行金属片或滚筒作为接收基板收集定向排列的纳米纤维等一系列方法。其中，将烧结后的纳米纤维浸入P25粉溶液中，可以使表面积得到较为明显的增加。 将烧结后的电纺丝TiO_2纳米纤维薄膜转移至预涂一层TiO_2纳米晶浆料的FTO玻璃基板上，膜厚为9.7μm时，得到了光电转换效率为5.03%的DSC电池。将TiO_2纳米纤维与水热法制备的TiO_2纳米晶浆料按一定的质量比混合后制得纳米棒/纳米颗粒的复合结构的光阳极，膜厚约2μm时，DSC效率可达3.27%。根据EIS分析，纳米纤维的加入使得电子在TiO_2光阳极薄膜中的传输电阻降低，从而有利于提高DSC的光电转换效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 电纺丝 纳米纤维 二氧化钛
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-24
• 1.1 选题背景及意义8-10
• 1.2 染料敏化太阳能电池简介10-17
• 1.2.1 DSC的结构及工作原理10-11
• 1.2.2 DSC的各组成部分11-15
• 1.2.3 DSC的性能表征参数15-17
• 1.3 电纺丝法应用于DSC的研究现状17-23
• 1.3.1 电纺丝的组成装备及工作原理17-18
• 1.3.2 电纺丝法制备DSC各组成部分的研究现状18-20
• 1.3.3 电纺丝法制备DSC用 TiO_2光阳极的研究进展20-23
• 1.4 课题的研究目标和研究内容23-24
• 第2章 电纺丝法制备 TiO_2纳米纤维24-34
• 2.1 引言24
• 2.2 实验试剂和设备24-25
• 2.3 使用P25合成 TiO_2纳米纤维25-30
• 2.3.1 实验流程25-26
• 2.3.2 P25粉含量对产物形貌的影响26-28
• 2.3.3 施加电压对产物形貌的影响28-29
• 2.3.4 产物的晶相组成分析29-30
• 2.4 使用钛酸四异丙酯合成TiO_2纳米纤维30-33
• 2.4.1 实验流程30-31
• 2.4.2 电纺丝产物的SEM微观形貌31-32
• 2.4.3 电纺丝产物的TG-DTA曲线和XRD图谱32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 增大电纺丝TiO_2纳米纤维表面积的研究34-50
• 3.1 引言34
• 3.2 实验试剂和设备34-35
• 3.3 混纺 TiO_2纳米纤维/纳米颗粒复合材料35-38
• 3.3.1 实验方法和步骤35-36
• 3.3.2 P25 粉含量对产物形貌的影响36-37
• 3.3.3 TiO_2纳米颗粒粒径对产物形貌的影响37-38
• 3.4 电纺丝 TiO_2纳米纤维的后处理38-41
• 3.4.1 实验方法和步骤38-39
• 3.4.2 使用 P25 粉溶液处理39-40
• 3.4.3 使用钛酸四异丙酯溶液处理40-41
• 3.5 改进接收基板收集定向排列的 TiO_2纳米纤维41-46
• 3.5.1 实验方法和步骤41-42
• 3.5.2 使用平行金属刃片作为接收基板42-44
• 3.5.3 使用辊筒作为接收基板44-46
• 3.6 其它实验方法46-49
• 3.6.1 水热处理烧结后TiO_2纳米纤维46-47
• 3.6.2 放电等离子体烧结电纺丝PVP/TiO_2纳米纤维47-49
• 3.7 本章小结49-50
• 第4章 电纺丝TiO_2纳米纤维在DSC中的应用50-79
• 4.1 引言50
• 4.2 实验试剂及设备50-51
• 4.3 DSC 的组装及性能测试方法51-56
• 4.3.1 DSC的组装51-53
• 4.3.2 DSC的I-V曲线测试53-54
• 4.3.3 DSC的EIS图谱测试54-56
• 4.4 转移电纺丝 TiO_2纳米纤维应用于DSC56-64
• 4.4.1 实验方法和步骤56-59
• 4.4.2 光阳极的微观形貌59-60
• 4.4.3 DSC的性能表征60-64
• 4.5 TiO_2纳米纤维和纳米颗粒的混合涂层64-70
• 4.5.1 实验方法和步骤64-65
• 4.5.2 光阳极的微观形貌65-66
• 4.5.3 DSC的性能表征66-70
• 4.6 BaTiO_3分解制备的锐钛矿TiO_2在DSC中的应用70-78
• 4.6.1 锐钛矿TiO_2的制备70-72
• 4.6.2 产物的晶相组成和微观形貌72-74
• 4.6.3 锐钛矿 TiO_2作光阳极时制得 DSC 的性能表征74-78
• 4.7 本章小结78-79
• 第5章 结论79-81
• 参考文献81-88
• 致谢88-89
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果89

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