改性TiO2納米管陣列的制備及光電性能研究.pdf

1、陽極氧化法制備的TiO2納米管陣列因其具有高度整齊的一維排列結(jié)構(gòu)、高的電子傳輸速率和電子壽命,在染料敏化太陽能電池中展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。但又因結(jié)構(gòu)易坍塌和染料吸附量低等問題,難以充分發(fā)揮一維TiO2納米管陣列的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。本文針對陽極氧化法合成TiO2納米管陣列的制備條件選擇和改善太陽能電池光電轉(zhuǎn)化性能等問題進行了研究。選擇不同的電解液體系,研究TiO2納米管陣列的結(jié)構(gòu)及其影響因素;采用表面處理、ZnO及Sm2O3改性,使制得的TiO2

2、納米管陣列獲得了較高的光電轉(zhuǎn)化效率。
　　在H3PO4/NH4F無機電解液體系中采用陽極氧化法制得了TiO2納米管陣列,通過FESEM系統(tǒng)地考察了攪拌速率、煅燒溫度、H3PO4添加量、F-濃度、氧化電壓、氧化時間對納米管陣列表面形貌、管徑及管長的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),攪拌速率、H3PO4與F-濃度、氧化電壓對形貌和孔徑有較大的影響,氧化反應(yīng)時間對管長的影響較為顯著。根據(jù)單因素影響條件,選擇其中影響較為顯著的三個因素,采用Box-Behn

3、ken Design方法設(shè)計實驗,通過軟件模擬得到排列緊密的TiO2納米管陣列的最佳制備條件為:氧化時間為240min,氧化電壓為15.39V, NH4F的濃度為0.5mol/L,經(jīng)由軟件模擬得到TiO2納米管陣列管內(nèi)徑為33nm,管長為1.43μm。通過XRD和UV-vis表征手段分析了不同煅燒溫度和煅燒時間對TiO2納米管陣列晶體結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的影響,得到最佳的煅燒條件為500℃煅燒2h。并通過實時的電流監(jiān)控探討TiO2納米管陣列的

4、生長機理。
　　以乙二醇有機體系為電解液,采用陽極氧化法制得了TiO2納米管陣列,分析了F-濃度、水添加量、氧化電壓及反應(yīng)溫度對TiO2納米管陣列形貌、管徑及管長的影響,發(fā)現(xiàn)水添加量是能否形成TiO2納米管陣列的關(guān)鍵因素,在40V的氧化電壓,0.3wt％的NH4F濃度,2vol%的水添加量及25℃的反應(yīng)溫度下得到的TiO2納米管陣列的管徑光滑,且高度有序的排列。同時以乙二醇制備的TiO2納米管陣列為染料敏化太陽能電池的光陽極,采用

5、四異丙氧基鈦(TnB)和氧電漿聯(lián)合處理其表面,結(jié)果表明:TiO2納米管陣列結(jié)構(gòu)仍然存在,在納米管陣列表面及側(cè)壁出現(xiàn)了TiO2納米粒子,提高了表面粗糙度和親水性,增加了染料的吸附量,相對于純TiO2納米管陣列,染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率從1.89%提高至3.68%。
　　采用陰極電沉積方法制備了異質(zhì)結(jié)型ZnO/TiO2納米管陣列。研究了ZnO/TiO2復(fù)合電極的表面形貌、晶形及光吸收性能,結(jié)果表明:陰極電沉積法制備的ZnO/T

6、iO2復(fù)合電極表面出現(xiàn)致密的ZnO粒子,表面粗糙度提高、禁帶寬度變小、染料吸附量大、電子壽命長。以ZnO/TiO2納米管陣列為光陽極組裝的染料敏化太陽能電池,相對于純TiO2納米管陣列,60min電沉積的ZnO/TiO2復(fù)合光陽極的光電轉(zhuǎn)化效率可從1.71%提高至3.76%。
　　采用水熱法制備了Sm2O3改性TiO2納米管陣列,研究了Sm2O3/TiO2納米管陣列表面形貌、晶形、光吸收和熒光發(fā)光性能,發(fā)現(xiàn)Sm2O3改性后TiO2

7、納米管陣列的晶粒尺寸變小,禁帶寬度變低;可一定程度地吸收紫外光,并通過熒光性質(zhì)以可見光發(fā)射。將Sm2O3/TiO2復(fù)合電極作為染料敏化太陽能電池的光陽極,發(fā)現(xiàn)通過Sm3+的下轉(zhuǎn)換熒光性質(zhì),可提高太陽能電池中的短路電流。相對于純TiO2納米管陣列,0.02mol/L Sm2O3/TiO2復(fù)合光陽極的光電轉(zhuǎn)化效率從1.86%提高至3.22%。這些改性研究為進一步探討TiO2納米管陣列對染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的提高提供了理論及實驗參考