染料敏化太陽能電池光陽極材料TiO-,2-的制備與改性.pdf

1、當(dāng)今社會(huì)能源危機(jī)和環(huán)境污染是擺在人類面前的兩大難題，而開發(fā)新型能源是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。其中太陽能光伏發(fā)電作為一種可持續(xù)的能源替代方式，于近年得到迅速發(fā)展。以染料敏化的TiO2納米晶多孔薄膜為光陽極組裝的染料敏化太陽能電池(簡稱DSC)，具有價(jià)廉、制備工藝簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可與非晶硅太陽能電池相媲美，目前，其光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到11.91％，是一種非常有前途的太陽能裝置。 DSC主要是由染料敏化納米多孔TiO2光陽

2、極膜、電解質(zhì)和背電極三部分組成。光陽極膜材料的組成、晶型和晶形、顆粒大小、比表面積和陽極膜結(jié)構(gòu)(孔徑、孔隙率、粗糙因子)等參數(shù)對(duì)于提高DSC電池的電性能具有決定作用。合成高電性能的納米二氧化鈦是制作具有良好微結(jié)構(gòu)光陽極的基礎(chǔ)。而銳鈦礦型的納米TiO2又顯示出比金紅石和板鈦礦型更高的光電活性，因而也成為研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。傳統(tǒng)制備過程中，廣泛采用溶膠-凝膠法和水熱合成法來制備TiO2粉體或者薄膜。但是，這兩種方法由于其使用原料價(jià)格較貴、設(shè)備

3、要求高、反應(yīng)周期長等缺點(diǎn)，很不適宜商業(yè)化生產(chǎn)。 TiO2簿膜中存在著大量的表面態(tài)，這些表面態(tài)構(gòu)成陷阱，束縛了電子在薄膜中的運(yùn)動(dòng)，使得電子在薄膜中的傳輸時(shí)間增大，導(dǎo)致暗電流增加，從而降低了DSC總的轉(zhuǎn)換效率。因此嘗試用一些方法和手段對(duì)TiO2光陽極薄膜進(jìn)行修飾改性，如致密層和擴(kuò)散層的制備、摻雜、表面復(fù)合等，通過改善光陽極膜的微結(jié)構(gòu)及TiO2的導(dǎo)帶帶邊電位和膜內(nèi)表面態(tài)，抑制光生電子的復(fù)合，減小暗電流，提高DSC的電性能。

4、綜合以上分析，確定本論文的研究內(nèi)容如下： (1)根據(jù)材料便宜易得、設(shè)備工藝簡單、無毒等原則，以四氯化鈦為鈦源，采用均相沉淀法，在適宜條件下，制備出粒徑尺寸分布較窄、純度高、晶型單一的銳鈦礦型棒狀二氧化鈦納米粉體，并研究了酸度對(duì)納米二氧化鈦的影響。結(jié)果表明，酸度在制備過程中，能改變其粒徑的大小，但不影響晶型；用透射電鏡、X射線衍射儀、差熱分析儀、比表面積分析儀和紫外可見光譜儀等手段，對(duì)所制備的納米粉體進(jìn)行了表征。同時(shí)，用自制納米T

5、iO2粉體和商業(yè)P25粉體，在同等條件下制備光陽極膜，用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)膜的形貌進(jìn)行了比較分析，用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)試了它們的染料吸附量，并組裝成DSC，用CHI660B對(duì)其進(jìn)行了阻抗和暗電流分析，利用恒電位-電流儀進(jìn)行I-V曲線測(cè)試，同等條件下相比，自制TiO2納米粉體和商用P25粉組裝的電池，前者的短路電流、開路電壓、電流密度、填充因子、總的光電轉(zhuǎn)換效率分別提高了：0.396 mA、36 mV、1，584mA·cm-2、16.72

6、％、1.98％。 (2)用鈦酸四丁酯為鈦源，用聚乙二醇20000為O/W乳化劑，利用微乳液法，制備出銳鈦礦型納米二氧化鈦，對(duì)所制納米TiO2進(jìn)行了各種表征測(cè)試，并與均相沉淀法制得的TiO2納米棒粉體的電性能進(jìn)行了比較。 (3)為了進(jìn)一步提升均相沉淀法制備的TiO2納米粉體在DSC中的電性能，對(duì)其進(jìn)行了修飾改性的研究。主要分兩為大類：①包覆改性，在TiO2制備的過程中，采用化學(xué)沉積法，a.使少量的ZnO復(fù)合在TiO2納米顆