斜角蒸镀二氧化钛薄膜及其改质处理在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：本研究采用斜角度沉积法，使用电子束蒸镀系统制备出了4μm厚的TiO_2多孔薄膜，制备出的薄膜为螺旋的柱状晶结构，其比表面积很大，可吸附较多的染料，光电转换效率达3.34%～3.38%。考虑到制备的柱状晶间隙还很大，平均约0.5μm，所以本实验又采用三种方法对其进行改质处理，分别为浸泡法(Dipcoating)，旋转涂布法(Spin coating)和电泳法(Electrophoresis)，以进一步提高薄膜的比表面积，增加染料的吸附量，从而达到提高光电转换效率的目的。 研究中采用X射线衍射仪分析薄膜的结构；扫描电镜观察薄膜表面形貌；紫外-可见分光光度计测量薄膜脱附染料量的多寡；模拟太阳光系统为光源进行染料敏化太阳电池（DSSC）的I-V曲线及其光电转换效率的测量。 研究结果显示，由于螺旋柱状晶结构的TiO_2薄膜具有较大的比表面积，在较低的温度（350oC）下退火，就形成了结晶度很高的纯锐钛矿相，还能吸附较多的染料，其一维柱状结构有利于电子的传导，光电转换效率可达3.34%～3.38%。经过浸泡法处理的薄膜，其粗糙度增大，吸附染料量明显增多，效率提高了9%～12%；用旋转涂布法处理的薄膜，由于TiO_2纳米颗粒（约10nm）尺寸很小，被旋进柱状晶间隙后，没有影响薄膜的结晶度，通过扫描电镜未看出改质前后形貌上的明显变化，但其吸附的染料量明显增加，推测是TiO_2纳米颗粒在退火的时候和柱状晶一起结晶，吸附于柱状晶的表面，增加了薄膜的比表面积，用旋涂法改质的薄膜其光电转换效率提高了15%；电泳法处理的薄膜，当电泳时间为5分钟，15分钟和25分钟时，电泳进去的TiO_2量不太多，观察处理后的薄膜形貌和旋转涂布法相近，光电转换效率分别提高了7.8%，11%和9.3%。随着时间的延长，可明显观察到电泳进入间隙的TiO_2颗粒，但薄膜的结晶度明显下降，使其效率不但没提高反而下降了。据分析，在不影响薄膜结晶度的情况下，通过改质处理，若能进一步提高薄膜的比表面积，增加染料的吸附量，才会使光电转换效率有所提高。 【关键词】：斜角度沉积 TiO_2薄膜 浸泡改质 旋转涂布 电泳法
【学位授予单位】：烟台大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 1 绪论9-11
• 1.1 前言9-10
• 1.2 研究动机10-11
• 2 理论基础11-21
• 2.1 太阳能电池简介11-12
• 2.2 二氧化钛12-13
• 2.3 染料敏化太阳能电池 (Dye sensitized solar cell)13-17
• 2.3.1 染料敏化太阳能电池的基本结构13-14
• 2.3.2 染料敏化太阳电池的工作原理14-16
• 2.3.3 太阳能电池元件性能评估16-17
• 2.4 蒸镀与斜角度沉积法简介17-19
• 2.4.1 蒸镀原理17
• 2.4.2 电子束蒸镀17-18
• 2.4.3 斜角度沉积法（glancing-angle deposition）18-19
• 2.5 电泳法简介19-21
• 3 实验内容21-34
• 3.1 实验规划21
• 3.2 蒸镀实验21-29
• 3.2.1 蒸镀系统介绍21-22
• 3.2.2 材料准备22-24
• 3.2.3 实验制程24-29
• 3.3 改质处理29-31
• 3.3.1 浸泡改质29-30
• 3.3.1.1 TiCl_3浸泡改质29
• 3.3.1.2 异丙醇钛（ITTP）浸泡改质29-30
• 3.3.2 旋转涂布（spin coating）改质30
• 3.3.3 电泳法（electrophoresis）改质30-31
• 3.4 分析方法31-34
• 3.4.1 X 光衍射仪（X-ray diffraction meter）31-32
• 3.4.2 扫描式电子显微镜（Scanning Electron Microscopy）32
• 3.4.3 紫外可见分光光度计(UV-Visible Spectrometer)32
• 3.4.4 电流电压曲线特性 (I-V measurement)32-34
• 4 结果与讨论34-52
• 4.1 未经改质处理的 TiO_2薄膜34-37
• 4.2 浸泡改质的影响37-44
• 4.2.1 TiCl_3浸泡改质的影响37-40
• 4.2.2 异丙醇钛（ITTP）浸泡改质的影响40-44
• 4.3 旋转涂布改质的影响44-47
• 4.4 电泳法改质的影响47-51
• 4.5 综合讨论51-52
• 5 结论52-54
• 5.1 结论52
• 5.2 建议未来工作52-54
• 参考文献54-62
• 攻读学位期间发表的学术论文目录62-63
• 致谢63-64

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