改性納米TiO2的制備及其在染料敏化太陽能電池中的性能研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池（DSSC）成本低廉、對環(huán)境無污染、制備工藝簡單，被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的新型光伏電池。二氧化鈦具有無毒、價(jià)格低廉、化學(xué)性能穩(wěn)定等特性，已被廣泛應(yīng)用于染料敏化太陽能電池、光催化、水分解、傳感器以及鋰離子電池等眾多領(lǐng)域。TiO2光陽極作為染料敏化太陽能電池的主要組成部分，應(yīng)該具備以下條件：較高的比表面積、較快的電子傳輸速率、有效地抑制光生載流子的復(fù)合等。因此，需要對納米TiO2進(jìn)行改性，使其能獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

2、r>　　本文主要通過納米 TiO2與石墨烯復(fù)合、刻蝕法合成TiO2納米管陣列以及氮摻雜納米TiO2來提高染料敏化太陽能電池的光電性能。主要工作如下：
　?。?）使用硫酸氧鈦（TiOSO4）作為鈦源，石墨烯作為支撐體，通過回流法合成銳鈦礦相二氧化鈦-石墨烯（TiO2-G）復(fù)合材料。通過X射線衍射（XRD）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）、透射電子顯微鏡（TEM）以及熱重分析（TGA）對TiO2-G的晶體結(jié)構(gòu)、形貌和組成進(jìn)行表征。

3、TiO2-G納米復(fù)合物中的TiO2和空白TiO2顆粒都呈紡錘狀結(jié)構(gòu)且長軸沿著[001]方向生長，復(fù)合物中的納米TiO2均勻地平鋪在石墨烯層表面。以 TiO2-G為光陽極組裝成染料敏化太陽能電池，電池的光電轉(zhuǎn)換效率（2.30％）明顯高于空白TiO2電池（0.89%）。此外，對TiO2-G進(jìn)行煅燒處理也可以提高其光電性能，當(dāng)煅燒溫度從450 oC增加到600 oC時(shí)，電池的轉(zhuǎn)化效率從1.50%升高到2.60%。以上結(jié)果說明TiO2-G復(fù)合物

4、在染料敏化太陽能電池上具有很大的應(yīng)用潛力。
　?。?）采用兩步水熱法直接在摻氟的二氧化錫透明導(dǎo)電玻璃（FTO）襯底上生長密集整齊的TiO2納米管陣列薄膜。通過X射線衍射、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡對 TiO2納米管的晶體結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征。根據(jù) FESEM可知，當(dāng)刻蝕溫度從120 oC升高到200 oC時(shí)，TiO2納米棒首先被刻蝕成納米管，然后再分裂成納米棒。以TiO2納米管為光陽極組裝成染料敏化太陽能電池，當(dāng)刻蝕溫度為

5、140 oC時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高為3.20%。這可能是因?yàn)門iO2納米管具有較大的比表面積，可以容納更多染料和捕獲更多的光子，由此可以看出二氧化鈦的形貌對染料敏化太陽能電池的光電性能產(chǎn)生一定的影響。進(jìn)一步煅燒處理可以使TiO2納米管的光電性能有明顯的提高，轉(zhuǎn)化效率呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)煅燒溫度為400 oC，煅燒時(shí)間為3 h，TiO2納米管具有最高的光電轉(zhuǎn)化效率，為4.74%。
　　（3）以氨水為氮源，鈦酸丁酯為鈦源，通過

6、簡單的水熱反應(yīng)在FTO襯底上生長金紅石相氮摻雜TiO2納米棒陣列。由X射線衍射儀（XPS）可知，反應(yīng)溶液中只有少量的氮元素進(jìn)入到TiO2，以O(shè)-Ti-N結(jié)構(gòu)存在。隨著氨水濃度的增加， TiO2納米棒的長度大幅增加。將氮摻雜TiO2納米棒組裝成染料敏化太陽能電池，電池的轉(zhuǎn)換效率先上升后下降，最高為2.88%。當(dāng)煅燒溫度為450 oC，煅燒時(shí)間為3 h時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率提高到3.76%。對比煅燒前后樣品的XPS，煅燒處理使樣品表面的吸附氮進(jìn)入

7、到TiO2?？傊?，適量的氨水濃度和煅燒溫度可以提高空白TiO2的光電性能。另外，為了評估全固態(tài)太陽能電池，以液態(tài)電解質(zhì)作為對比，發(fā)現(xiàn)液態(tài)電解質(zhì)組裝成電池的轉(zhuǎn)化效率（5.74%）比固態(tài)電解質(zhì)的高。因此對于全固態(tài)太陽能電池還有待進(jìn)一步改良，達(dá)到降低電池界面阻力，加快光生電荷轉(zhuǎn)移，提高光電轉(zhuǎn)化效率的目的。
　　通過改變TiO2的形貌以及非金屬元素?fù)诫s，可以使 TiO2染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率得到明顯的提高。對于TiO2納米棒的改