染料敏化太阳能电池用TiO_2纳米棒光阳极的研究

【摘要】：众所周知,染料敏化太阳能电池(DSSC)研究中,用于吸附染料的光阳极材料至关重要,能否及时有效的将光生电子传输到导电层流向外电路,很大程度上决定了DSSC最终的光电转换效率的高低。目前,纳米TiO2是效果最好的光阳极材料,用的最多的就是多孔纳米TiO2颗粒薄膜,但是多孔状的纳米TiO2颗粒薄膜由于界面较多,光生电子传输的阻碍较大,同时光生电子容易在此处复合,使得DSSC光电转换效率的进一步提高受到了限制。而且多孔纳米TiO2颗粒薄膜在FTO导电基底上的附着力较差,大面积印刷容易脱落,阻碍了DSSC大面积化的发展。因此,对光阳极材料进行广泛深入的研究显得至关重要,特别需要研制出一种能够快速分离、快速传输、对光生电子复合少的光阳极材料。基于现有研究表明低维材料能为电子提供高速的流通通道,本文主要进行了以下研究： 采用成本低廉、操作简便的水热法对TiO2纳米棒阵列进行了系列研究。通过金相显微镜、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和光电性能测试分析发现,所制备的TiO2纳米棒阵列薄膜非常均匀,附着力较好,不容易脱落；构成这种薄膜的纳米棒的直径大约在100nm-900nm之间,棒的长度在4.5μ m左右；这种薄膜的生长受反应温度、反应物钛酸丁酯浓度和反应时间的影响。反应温度太低则不能生长,过高则会腐蚀导电层,影响电子的传输；反应物浓度较低或者反应时间过短均不能生长出TiO2纳米棒阵列薄膜；用这种TiO2阵列薄膜制备的光阳极组装的DSSC,在AM1.5G标准太阳光照条件下(100mW/cm2)其光电转换效率比较低,只有0.41%左右,分析其主要的原因在于纳米棒与纳米棒之间的间隙较小,染料吸附量较少；同时纳米棒生长不完全,有许多缺陷,从而光生电子容易复合。 为了提高DSSC的光电转换效率,本文在TiO2纳米棒阵列研究的基础上,通过改变反应条件制备出了一种结构特殊的TiO2纳米棒阵列-团簇薄膜。通过金相显微镜、X射线衍射、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和光电性能测试分析发现,这种TiO2纳米棒阵列-团簇薄膜是一种双层结构的薄膜,下层为TiO2纳米棒阵列层,上层为Ti02纳米棒团簇层,并且这两层体系都是由棒状TiO2组成的,棒的直径在100nm～900nm之间,而这种棒是由更细小的纳米棒组成,更细小的纳米棒的直径在27nm～60nm;这种Ti02纳米棒阵列-团簇薄膜的生长受到反应时间、反应物钛酸丁酯的浓度和FTO导电基底放置角度等因素的影响。反应时间较短时,只会有TiO2阵列生成；反应物钛酸丁酯浓度较低时只会有阵列生成,较高时则薄膜会因为内应力的作用而从FTO导电基底上脱落；当导电基底放置角度为180°时,团簇的生成量最多。这种TiO2纳米棒阵列-团簇薄膜在不经过任何改性处理的情况下,作为光阳极组装成DSSC,它的光电转换性能可以达到1.24%,与只有TiO2阵列作为光阳极的DSSC相比,光电转换性能提高了2倍多；生成这种薄膜团簇层的TiO2纳米棒之间的间距是比较大的,与纯粹的纳米棒阵列相比,能够吸附更多的染料,从而提高光电流密度,因此这种特殊结构对于进一步研究新型染料敏化太阳能电池具有新的启示。 【关键词】：关键词 DSSC TiO_2薄膜 水热法 纳米棒阵列 纳米棒团簇 光电转换效率
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-26
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 太阳能利用技术11-14
• 1.2.1 硅基太阳能电池11-13
• 1.2.2 薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池(DSSC)14
• 1.3 DSSC电池的结构和工作原理14-16
• 1.4 DSSC的研究进展16-22
• 1.4.1 导电基底16
• 1.4.2 光阳极材料16-19
• 1.4.3 染料19-21
• 1.4.4 电解液21-22
• 1.4.5 对电极22
• 1.5 DSSC的发展前景22-24
• 1.6 DSSC目前存在的问题24
• 1.7 本论文的研究意义及研究内容24-26
• 1.7.1 研究意义24-25
• 1.7.2 研究内容25-26
• 第2章 实验部分26-34
• 2.1 实验材料及仪器26-27
• 2.2 实验方法及流程27-28
• 2.3 染料溶液的配制28
• 2.4 DSSC的组装28-29
• 2.5 表征与测试方法29-34
• 2.5.1 XRD分析29-30
• 2.5.2 金相显微镜分析30
• 2.5.3 FESEM分析30-31
• 2.5.4 光电性能测试仪31-34
• 第3章 染料敏化太阳能电池TIO_2阵列薄膜制备及性能34-41
• 3.1 TIO_2纳米阵列薄膜的制备34-35
• 3.2 结果与讨论35-38
• 3.2.1 不同基底制备及对比35-36
• 3.2.2 反应时间对阵列薄膜形成的影响36-37
• 3.2.3 反应物浓度对阵列薄膜形成的影响37-38
• 3.2.4 温度对阵列薄膜形成的影响38
• 3.3 染料敏化TIO_2阵列薄膜太阳能电池的组装和光电转换性能测试38-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 染料敏化太阳能电池TIO_2阵列-团簇薄膜制备及性能41-56
• 4.1 TIO_2阵列-团簇薄膜的制备41-42
• 4.1.1 制备背景41
• 4.1.2 制备条件设置41-42
• 4.2 结果与讨论42-54
• 4.2.1 XRD表征42-43
• 4.2.2 TIO_2纳米棒阵列-团簇薄膜的结构43-44
• 4.2.3 反应物浓度对阵列-团簇薄膜形成的影响44-48
• 4.2.4 FTO放置角度对阵列-团簇薄膜形成的影响48-51
• 4.2.5 反应时间对阵列-团簇薄膜形成的影响51-54
• 4.3 本章小结54-56
• 第5章 结论与展望56-58
• 5.1 结论56-57
• 5.2 展望57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果67

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