TiO_2基复合纳米材料的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：社会经济的发展对能源的需求日益增加，而目前使用的化石能源是不可再生能源，同时会产生空气污染。为了应对能源危机和大气污染，世界各国都在寻找可替代化石能源的新能源。太阳能是清洁、无污染的能源，且取之不尽，因此，太阳能作为替代能源是解决能源危机和保护环境的最佳途径之一。染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solarcells, DSC）是一种新型太阳能电池，它具有结构简单、成本低廉、易于制造等优点。从它诞生之日起就引起了人们的广泛关注。 TiO_2因其具有化学性质稳定、无毒、成本低等特点被广泛应用于太阳能电池中。但TiO_2的能带隙较宽（锐钛矿相：3.2eV；金红石相：3.0eV），光谱响应范围窄，对太阳能的利用率只有3%-5%；此外，因TiO_2的光生电子和空穴复合很快，其量子效率较低。为了提高太阳能电池的光电转换率，人们采用各种TiO_2纳米结构代替纳米颗粒、金属或非金属掺杂、与其它半导体复合等方法对TiO_2电极进行修饰。TiO_2与半导体复合是一种重要且有效的方法,将具有不同能级的半导体复合，提高光生载流子的分离效率；与窄带隙半导体复合又使其吸收波长红移，可吸收利用可见光。 目前报道的TiO_2与二元氧化物的复合材料应用于太阳能电池和光催化研究中，而TiO_2与三元氧化物的复合材料的研究主要集中在光催化领域，在太阳能电池中的研究报道很少。 SrTiO_3具有典型的钙钛矿结构，与锐钛矿TiO_2的结构很相似，具有与TiO_2一样的带隙，并且其平带电势比TiO_2的高约0.2V,以SrTiO_3为电极材料的染料太阳能电池的开路电压Voc比TiO_2的高，因此，SrTiO_3作为染料敏化电池电极被广泛研究。锑掺杂氧化锡（ATO）是一种新型多功能光电材料，具有良好的导电性、透明性和稳定性，它被广泛应用于光催化和太阳能电池中。 本论文将SrTiO_3、ATO分别与TiO_2(Degussa P25)制成复合材料，利用表面光电压谱技术测试复合材料的光伏性能，并将光伏性能优良的复合材料制成染料敏化太阳能电池，探索TiO_2基复合材料在太阳能电池中的应用。 本论文包括以下几部分内容： 1.将SrTiO_3与TiO_2制成复合材料，结果显示，SrTiO_3/TiO_2复合材料与单一TiO_2相比，表面光电压的强度显著增强。能带结构分析表明SrTiO_3与TiO_2的能级相匹配，光致荧光显示复合材料的表面缺陷态与单一TiO_2相比减少了，从而提高了光生电荷的分离效率和降低了光生电荷的复合几率。 2.将ATO与TiO_2制成复合材料，ATO/TiO_2复合材料表现出类似于SrTiO_3/TiO_2的光伏增强效应，在能带结构和光致荧光分析的基础上，阐明了ATO/TiO_2的光伏增强效应的机理。 3．制成的太阳能电池在效率上不如单纯的TiO_2作为电极的电池，我们考虑到可能是由于复合材料改变了TiO_2电极多孔的结构，减小了比表面积并因此影响到染料的吸附，从而导致短路电流大幅度降低引起的。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 表面光电压 P25 SrTiO_3 ATO
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 前言12
• 1.2 太阳能电池的分类和比较12-15
• 1.2.1 硅太阳能电池12-13
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.3 有机太阳能电池14
• 1.2.4 染料敏化纳米晶太阳能电池14-15
• 1.3 染料敏化太阳能电池的基本知识15-18
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的结构15-16
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的工作原理16-17
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池性能参数17-18
• 1.4 染料敏化太阳电池的研究方向18-19
• 1.5 二氧化钛阳极的制备方法19
• 1.6 氧化钛与半导体复合电极19-21
• 1.6.1 氧化钛与半导体复合的意义19
• 1.6.2 氧化钛与半导体复合的方法19-21
• 1.7 二氧化钛和钛酸锶的介绍21-24
• 1.7.1 二氧化钛21-23
• 1.7.2 钛酸锶23
• 1.7.3 氧化锡锑23-24
• 1.8 本文的研究意义和研究内容24-25
• 参考文献25-28
• 第二章 复合材料的制备和表征28-36
• 2.1 引言28
• 2.2 复合材料的制备28-30
• 2.2.1 主要仪器28-29
• 2.2.2 制备方法29-30
• 2.3 复合材料的表征30-34
• 2.3.1 表面光电压谱仪30-31
• 2.3.2 扫描电子显微镜31-32
• 2.3.3 X 射线衍射仪32
• 2.3.4 显微共焦激光拉曼光谱仪32
• 2.3.5 紫外可见分光光度计32-33
• 2.3.6 稳态荧光光谱仪33-34
• 2.4 太阳能电池性能的表征34
• 2.4.1 二电极体系34
• 2.4.2 三电极体系34
• 2.5 本章小结34-35
• 参考文献35-36
• 第三章 P25/SrTiO_3复合纳米材料光电性质研究36-48
• 3.1 前言36
• 3.2 实验部分36
• 3.2.1 实验材料和仪器36
• 3.2.2 制备方法36
• 3.3 结果与讨论36-45
• 3.3.1 表面光电压36-38
• 3.2.2 形貌分析38-40
• 3.3.3 XRD 图谱和分析40-42
• 3.3.4 拉曼图谱和分析42-43
• 3.3.5 吸收图谱分析43-44
• 3.3.6 光致发光光谱（PL）及分析44
• 3.3.7 复合体系的能带结构分析44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 参考文献46-48
• 第四章 P25/ATO 复合纳米材料光电性质研究48-56
• 4.1 前言48
• 4.2 实验部分48-49
• 4.2.1 试剂和材料48
• 4.2.2 实验方法48-49
• 4.3 结果和讨论49-53
• 4.3.1 表面光电压49-52
• 4.3.2 XRD 图谱52
• 4.3.3 紫外可见吸收谱52-53
• 4.4 本章小结53-54
• 参考文献54-56
• 第五章 染料敏化太阳能电池的制备和表征56-68
• 5.1 引言56-57
• 5.2 实验和方法57-60
• 5.2.1 试剂和材料57-58
• 5.2.2 实验步骤及方法58-60
• 5.3 结果和讨论60-63
• 5.3.1 P25 作为阳极材料的太阳电池性能60-61
• 5.3.3 P25/SrTiO_3作为阳极材料的太阳能电池性能61-62
• 5.3.4 P25/ATO 作为阳极材料的太阳能电池性能62-63
• 5.4 结论63-64
• 5.5 展望64-66
• 参考文献66-68
• 硕士期间发表的论文68-70
• 致谢70-71

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