高比表面積一維金紅石TiO2納米棒陣列光陽極及其在染料敏化太陽能電池中應用的研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池因其制備成本低、光電轉化效率高以及電池結構的可設計性強等優(yōu)點，被認為是最有潛力的太陽能光電轉化器件之一。傳統(tǒng)的染料敏化太陽能電池是基于銳鈦礦TiO2納米顆粒膜光陽極。雖然，以TiO2納米顆粒膜為光陽極的染料敏化太陽能電池已經取得了～12％的光電轉化效率，但是無序的納米顆粒膜致使光生電子的復合問題嚴重，不利于電池性能的進一步提高。一維陣列結構的TiO2納米材料可提供直接的電子傳輸路徑，有利于改善電子的傳輸以及提高電子在導

2、電基底的收集效率，從而有望進一步提高染料敏化太陽能電池的效率。
　　在一維TiO2納米陣列結構中，一維金紅石TiO2納米棒陣列具有一系列優(yōu)異的特性，如化學穩(wěn)定性好、通過低溫水熱法即可制備晶型良好的納米棒陣列、制備操作簡單且成本低以及可在多種基底上直接生長等，可成為一種很有應用潛力的染料敏化太陽能電池光陽極材料。然而，目前基于這類光陽極的染料敏化電池效率仍然較低，主要歸因于金紅石TiO2納米棒陣列的比表面積過低。因此，在透明導電玻璃

3、基底上制備高比表面積的金紅石TiO2納米棒陣列對于進一步提高染料敏化電池性能具有重要意義。
　　本論文的研究工作主要是發(fā)展了一種構筑高比表面積金紅石TiO2納米棒陣列光陽極的方法，并將所制備的高性能光陽極應用在染料敏化太陽能電池中，試圖能顯著提高電池的光電轉化效率。主要研究成果如下:
　　(1)采用水熱法直接在FTO（F摻雜的SnO2導電玻璃）基底表面制備了排列致密的單晶金紅石TiO2納米棒陣列光陽極，并引入一種化學刻蝕方法

4、以提高金紅石TiO2納米棒陣列的比表面積。系統(tǒng)地研究了不同的水熱反應和化學刻蝕參數對納米棒陣列結構的影響。實驗表明，刻蝕處理可有效提高金紅石TiO2納米棒陣列的比表面積，并可增強膜層與基底之間的結合力。基于～8.3μm納米棒陣列光陽極的染料敏化電池效率達到了5.94％，而同樣條件下未刻蝕處理的光陽極的電池效率僅為1.30％。
　　(2)發(fā)展了一種FTO基底表面預處理方法，有效解決了金紅石TiO2納米棒陣列膜與FTO基底之間結合力弱

5、的技術問題，并且首次通過水熱法在FTO基底表面制備了膜層厚度～30μm的金紅石TiO2納米棒陣列。實驗表明，通過更新水熱溶液和多次水熱生長，在FTO基底表面成功制備了膜層厚度達～74μm的金紅石TiO2納米棒陣列。此外，本研究工作還發(fā)展了一種快速生長金紅石TiO2納米棒的新方法，即在180℃下水熱3h即可在FTO基底上生長～15μm的金紅石TiO2納米棒陣列。系統(tǒng)地考察了不同化學刻蝕時間對～21μm厚膜層形貌及比表面積的影響。實驗表明，