一維TiO2納米材料的制備、改性及其在染料敏化太陽能電池中的性能研究.pdf

1、隨著人類文明的進(jìn)步，對環(huán)境和能源的要求越來越高，清潔可再生能源一直以來都是人類追求的夢想。半個(gè)世紀(jì)以前，太陽能的開發(fā)利用使得人類離夢想又近了一步，光伏太陽能電池從最初昂貴的空間應(yīng)用發(fā)展到了現(xiàn)在可接受的商業(yè)化民用，不過人們一直還在尋求開發(fā)制備更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型太陽能電池。其中染料敏化太陽能電池是近年來發(fā)展最為迅速的一類新型太陽能電池，與傳統(tǒng)的光伏電池相比，有著不同的工作原理，它的電子空穴產(chǎn)生、分離及轉(zhuǎn)移分別發(fā)生在兩相之間，因此可用純度相對

2、較低的材料制備組裝電池器件，從而大大降低整體器件的成本。
　　染料敏化太陽能電池中一個(gè)重要的組成部分為半導(dǎo)體光陽極，它對電子的分離和轉(zhuǎn)移起到非常關(guān)鍵的作用。最為常用的是一類納米晶TiO2顆粒組成的多孔膜層，有著很高的比表面積，可吸附大量的染料分子，從而吸收足量的光能，但是由于納米顆粒之間的晶界多，使電子-空穴的復(fù)合較為嚴(yán)重。因此近年來很多研究者著力于研究一維納米材料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用，相比于納米晶顆粒膜，一維納米材料膜層

3、可為電子提供直接的傳輸路徑，加速電子的輸運(yùn)，降低電子的復(fù)合損失，但仍存在比表面積相對較小的弊端。
　　本論文針對上述關(guān)鍵性問題，側(cè)重發(fā)展多種一維TiO2納米材料，如納米管，納米棒，并通過多種后處理策略增加一維TiO2納米材料的有效比表面積，提升染料分子的負(fù)載量，以增強(qiáng)對光的吸收;通過評價(jià)染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化性能，考察其中的關(guān)鍵影響因素;通過電化學(xué)譜學(xué)技術(shù)研究染料敏化太陽能電池中電子傳輸和復(fù)合特性及界面行為。主要研究成果和進(jìn)

4、展如下:
　　(1)在鈦基底表面通過多次陽極氧化制備了規(guī)整的TiO2納米管陣列膜，發(fā)現(xiàn)在納米膜層小于20μm時(shí)，多次氧化獲得的納米管陣列具有更加規(guī)則平整的表面結(jié)構(gòu)，在同樣膜厚的情況下，由二次氧化制備獲得的納米管陣列組裝成的染料敏化太陽能電池具有更好的光電轉(zhuǎn)化效率。隨著熱處理溫度的增加，TiO2由無定形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為銳鈦礦，結(jié)晶度的增加可有效減少TiO2納米管陣列的表面態(tài)和缺陷，降低電子復(fù)合的幾率。但溫度過高可使納米管與純鈦基底間的阻

5、擋層優(yōu)先轉(zhuǎn)化為金紅石相，導(dǎo)致兩相間結(jié)合力變差。熱處理過程中F-離子的存在可誘導(dǎo)納米管的顆?；?，通過優(yōu)化條件可獲得納米管和顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可提高染料吸附量和增強(qiáng)電解液流通性，從而有效地提高染料敏化太陽能電池的效率。
　　(2)采用三種不同的制備方法在TiO2納米管陣列中沉積納米Ag顆粒，獲得Ag/TiO2納米管陣列復(fù)合電極，并作為光陽極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中，研究表明，少量的納米Ag顆粒可引發(fā)局域等離子共振效應(yīng)增強(qiáng)光的吸收

6、，但過多的Ag納米顆粒又可成為電子復(fù)合中心，降低電池的整體性能。
　　(3)在FTO導(dǎo)電玻璃表面陽極氧化制備了透明TiO2納米管陣列膜，研究了各種參數(shù)對透明TiO2納米管陣列膜形成的影響。選用合適的透明TiO2納米管陣列膜，并進(jìn)行一系列的后處理，然后作為光陽極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中。結(jié)果顯示，納米顆粒的復(fù)合可顯著提高光陽極的有效比表面積，而通過構(gòu)筑多層結(jié)構(gòu)可有效增加光的散射，從而提高光的利用率。通過電化學(xué)阻抗譜比較TiO2納米

7、顆粒(P25)膜和透明TiO2納米管陣列膜及經(jīng)后處理優(yōu)化后的膜層在染料敏化太陽能電池中的電子傳輸和復(fù)合性能，發(fā)現(xiàn)TiO2納米管陣列膜比P25顆粒膜表現(xiàn)出更加優(yōu)越的電子傳輸性能，而在對TiO2納米管陣列進(jìn)行適當(dāng)顆粒復(fù)合后仍可保持較好的電子轉(zhuǎn)移和傳輸性能。
　　(4)在FTO表面水熱生長制備了金紅石TiO2納米棒陣列，經(jīng)化學(xué)刻蝕，增加TiO2納米棒陣列的比表面積，然后合成不同尺寸的Au納米顆粒附著于TiO2納米棒陣列表面，并作為光陽極