氧化钛纳米管阵列的染料敏化太阳能电池光电特性研究

【摘要】： TiO2作为一种无毒、稳定、廉价的宽禁带半导体是到目前为止制备染料敏化太阳电池(DSSC)光阳极性能最为优良的材料之一。纳米管阵列比纳米粉体、纳米膜具有更大的表面积、更高的表面能,有望提高DSSC光电转换效率。 本文分别在HF电解液体系、NaF电解液体系下制得TiO2纳米管阵列,并将其敏化制备成DSSC。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能量色散谱仪(EDS)分别对TiO2薄膜的表面形貌、晶体结构和元素组成进行了检测,并对TiO2纳米管阵列形成机理进行了研究。利用太阳能检测仪对DSSC的光电性能进行了检测,研究了煅烧温度、阳极氧化时间、不同电解液体系和酸处理对DSSC光电性能的影响。 分析TiO2纳米管阵列形成机理,纳米管阵列形成包括以下过程：起初,钛表面迅速形成致密的氧化膜,氧化膜的生成与溶解同时进行,前期生成速率快于溶解速率,电极/溶液界面的双电层结构(紧密层/分散层),使氧化膜表面生成小孔,相邻的小孔集成越来越大的孔洞,继而形成小管,小管进一步融入更大的管,孔径达到最大后,纳米管管长还会继续增加,进入稳定生长阶段。最终形成结构规整有序的高密度纳米管阵列。 根据SEM图的分析可知：在HF电解液体系、NaF电解液体系下均能制得TiO2纳米管阵列,HF电解液体系下管长为450-550nm,管径为45-65nm；NaF电解液体系下管长为2.5～3μm,管径为30-45nm。随着煅烧温度的升高,500℃之前对纳米管阵列形貌影响不大,超过500℃纳米管阵列形貌逐渐被破坏。根据EDS、XRD图的分析可知：灼烧后制得的氧化物是TiO2。经过500℃灼烧处理后,无定形TiO2纳米管阵列形成了的锐钛矿晶型,经过600℃灼烧处理后,TiO2纳米管阵列形成了锐钛矿和金红石的混晶。 DSSC光电性能的主要影响因素有：纳米管管长、纳米管管径、TiO2晶型。经适当浓度的酸处理能增强TiO2纳米管阵列表面活性中心,提高染料的预吸附,因此提高DSSC光电转换效率,在NaF电解液体系下,经0.1mol/L的HCL溶液浸泡处理30min,DSSC光电转换效率在本实验中达到最大,为2.63%。 【关键词】：TiO_2 纳米管阵列 染料敏化太阳电池 光电转换效率
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 引言8-9
• 1.2 纳米管TiO_2薄膜的制备方法9-11
• 1.2.1 模板法9-10
• 1.2.2 水热法10
• 1.2.3 阳极氧化法10-11
• 1.3 DSSC的工作原理11-12
• 1.4 两种纳米管阵列DSSC结构12-13
• 1.5 DSSC中的纳米晶TiO_2电极13-16
• 1.5.1 TIO_2晶体结构对DSSC的影响14
• 1.5.2 TIO_2薄膜厚度对DSSC的影响14-15
• 1.5.3 TIO_2表面形貌对DSSC的影响15-16
• 1.6 本论文主要研究内容及意义16-18
• 1.6.1 主要研究内容16
• 1.6.2 研究意义16-18
• 第二章 实验部分18-24
• 2.1 纳米管阵列TiO_2薄膜的制备18-19
• 2.1.1 阳极氧化法设备18
• 2.1.2 实验原料18-19
• 2.1.3 实验仪器及设备19
• 2.1.4 实验方法19
• 2.2 染料敏化TiO_2电极和DSSC的制备19-20
• 2.2.1 TIO_2电极的敏化19-20
• 2.2.2 DSSC的制备20
• 2.2.3 样品的制备流程20
• 2.3 TiO_2薄膜的表征20-21
• 2.3.1 SEM表面形貌20
• 2.3.2 EDS元素分析20-21
• 2.3.3 XRD衍射光谱分析21
• 2.4 染料敏化TiO_2电极光电性能的测定21-23
• 2.4.1 开路光电压V_(OC)22
• 2.4.2 短路光电流密度J_(SC)22-23
• 2.4.3 填充因子FF23
• 2.4.4 光电转换效率H23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 TIO_2纳米管阵列形成机理分析24-30
• 3.1 阳极氧化过程电流-时间曲线24
• 3.2 阳极氧化过程钛箔的色彩变化24-25
• 3.3 不同阳极氧化时间氧化钛SEM表征25-28
• 3.3.1 正面形貌表征25-26
• 3.3.2 侧面形貌表征26-28
• 3.4 氧化钛纳米管阵列形成机理分析28-29
• 3.5 本章小结29-30
• 第四章 纳米管阵列TIO_2薄膜表征30-35
• 4.1 SEM表征30-32
• 4.1.1 HF、NAF电解液体系对比30-31
• 4.1.2 煅烧温度对表面形貌的影响31-32
• 4.2 EDS元素分析32-33
• 4.3 XRD表征33-34
• 4.4 本章小结34-35
• 第五章 基于TIO_2纳米管阵列DSSC的光电性质35-44
• 5.1 引言35
• 5.2 HF体系下不同煅烧温度对DSSC光电特性的影响35-37
• 5.3 HF体系下阳极氧化时间对DSSC光电特性的影响37-39
• 5.4 阳极氧化电解液体系对DSSC光电特性的影响39-40
• 5.5 NaF体系下酸处理对DSSC光电特性的影响40-42
• 5.6 本章小结42-44
• 第六章 结论与展望44-46
• 6.1 结论44-45
• 6.2 今后工作的展望45-46
• 参考文献46-51
• 致谢51-52
• 攻读硕士期间所发表的论文52

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