太阳能电池掺碳纳米结构TiO_2复合膜新型光电极的研究

【摘要】： 光电化学太阳能电池是根据光生伏特原理,将太阳能直接转变为电能的装置。TiO_2由于其较高的热稳定性和光电化学稳定性,是一种具有良好应用前景的光阳极半导体材料。但是,由于TiO_2的禁带宽度约为3.2eV(锐钛矿),只能吸收仅占太阳光能量5%的紫外光,因而TiO_2光电转换效率很差。有多种途径可以提高TiO_2的光电转换效率,比较常见的方法有:在TiO_2电极表面添加贵金属粒子(如纳米Au、Ag或Pt)、复合窄禁带宽度的半导体材料(如金属氧化物或金属硫化物)、有机染料的敏化、非金属离子的掺杂、过渡金属配合物的修饰等。当前,探索和发现提高TiO_2光电转换效率的新方法和途径仍然是研究发展高性能光电化学太阳能电池的重大课题。 本论文主要采用溶胶-凝胶法制备了掺碳纳米TiO_2复合膜电极(CD ns-TiO_2)、CD ns-TiO_2/CdS复合膜电极、CD ns-TiO_2/叶绿素(chlorophyll)复合膜电极、CD ns-TiO_2/Cu(L)(Ⅱ)复合膜电极,研究了复合膜电极作为光阳极时光电池的光电化学性质。具体工作如下: 1.采用乙醇钛(Ti(OEt)_4)的乙醇溶液作为前驱体,采用溶胶-凝胶法制备了CD ns-TiO_2膜,膜电极表现出很好的吸收可见光的光电活性。通过X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱证明了C掺杂到ns-TiO_2中。CD ns-TiO_2复合膜将吸收光谱从可见区扩大到800nm的近红外区,并有三个比较小的带隙:1.98(628nm)、1.64(758nm)、1.26(958nm)eV。在CD ns-TiO_2复合膜中,C的掺杂浓度大约为41%(从XPS峰中测定)。研究了CD ns-TiO_2复合膜作为光电化学电池的光阳极的光电化学行为,发现短路光电流为0.265mA/cm~2,总的光电转换效率为4.42%。 2.在CD ns-TiO_2复合膜的基础上,我们进一步采用化学水浴沉积法制备了CD ns-TiO_2/CdS复合膜电极,并对该薄膜的形貌、结构和性能进行了分析。发现CdS复合后由于两种半导体的导带、价带、禁带宽度不一致而发生交迭,从而提高薄膜内电荷分离率,使复合半导体的光谱响应范围发生红移,可见光吸收增大。将这种电极用做纳米结构光电化学太阳能电池(Nanostructured PhotoelectrochemicalCells,简称NPC电池)的光阳极,发现短路光电流增大到0.53mA/cm~2,光电池的光电转换效率提高到5.16%。 3.使用从樟树叶中提取的叶绿素a和叶绿素b分别修饰CDns-TiO_2复合膜得到CD ns-TiO_2/chlorophyll a和CD ns-TiO_2/chlorophyllb复合膜电极。采用XRD、SEM、和UV-Vis吸收光谱等测试方法表征了复合膜的表面形貌和结构。用光电化学方法研究了CD ns-TiO_2/chlorophyll a和CD ns-TiO_2/chlorophyll b复合膜电极的光电转换性质。结果表明,由于叶绿素分子的作用,光激发叶绿素后使复合膜的吸收红移,在紫外和可见光区都有较强的吸收,吸收带明显增宽,光电流明显增加,CD ns-TiO_2/chlorophyll a和CD ns-TiO_2/chlorophyll b复合膜电极的光电转换效率分别达到5.4%和6.2%。 4.采用一种新合成的对甲基苯磺酰-L-异亮氨基酸2,2-联吡啶铜配合物(以下简称Cu(L)(Ⅱ))修饰CD ns-TiO_2复合膜得到CD ns-TiO_2/Cu(L)(Ⅱ)复合膜电极,研究了UV-Vis吸收光谱以及用CDns-TiO_2/Cu(L)(Ⅱ)复合膜电极作光阳极时光电池的性能。结果发现,复合膜电极的光电响应拓展至可见区和近红外区,光电池的光电转换效率提高到5.2%。 【关键词】：光电化学太阳能电池 光电极 掺碳纳米TiO_2 CdS 叶绿素 对甲基苯磺酰-L-异亮氨基酸2 2-联吡啶铜 光电转换效率 溶胶-凝胶法
【学位授予单位】：安徽师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要7-10
• 英文摘要10-14
• 第一章 绪论14-45
• 第一节 纳米结构光电化学太阳能电池的概述14-32
• 1 引言14-16
• 2 纳米结构光电化学太阳能电池的组成结构与工作原理16-19
• 3 纳米结构多孔膜电极19-28
• 4 电解质28-30
• 5 对电极30
• 6 结语30-32
• 第二节 课题设计和研究内容32-34
• 参考文献34-45
• 第二章 CDns-TiO_2复合膜光电极的制备和光电性能研究45-63
• 第一节 NPC电池性能指标45-48
• 1 开路电压和短路光电流45-46
• 2 光电转化效率46-47
• 3 I-V曲线47-48
• 第二节 CDns-TiO_2复合膜光电极的制备和光电性能研究48-59
• 1 引言48-50
• 2 实验部分50-51
• 3 结果与讨论51-57
• 4 结论57-59
• 参考文献59-63
• 第三章 CDns-TiO_2/CdS复合膜光电极的制备和光电性能研究63-72
• 1 引言63
• 2 实验部分63-65
• 3 结果与讨论65-69
• 4 结论69-70
• 参考文献70-72
• 第四章 CDns-TiO_2/chlorophyll复合膜光电极的制备和光电性能研究72-85
• 1 引言72-73
• 2 实验部分73-76
• 3 结果与讨论76-81
• 4 结论81-82
• 参考文献82-85
• 第五章 CDns-TiO_2/Cu(L)(II)复合膜光电极的制备和光电性能研究85-95
• 1 引言85-86
• 2 实验部分86-87
• 3 结果与讨论87-92
• 4 结论92-93
• 参考文献93-95
• 发表的论文95-96
• 致谢96

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