植物生物質(zhì)合成金-銀納米顆粒修飾二氧化鈦光陽極染料敏化太陽能電池性能研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池(DSSC)是一種新型的光伏電池，由于其價(jià)格便宜、制作工藝簡(jiǎn)便、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前可再生能源領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。工作電極納米晶TiO2薄膜作為染料分子的支撐和吸附載體以及電子傳輸?shù)妮d體，是電池重要組成部分。本論文通過植物生物質(zhì)合成Ag、Au納米顆粒修飾TiO2光陽極，研究生物質(zhì)和貴金屬納米顆粒對(duì)敏化太陽能電池光電性能的影響，借助紫外可見近紅外(UV-vis-DRS)光譜掃描、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨率透射電

2、鏡(HR-TEM)、X射線衍射(XRD)及X射線光電子能譜(XPS)等表征手段，探究生物質(zhì)合成貴金屬納米顆粒修飾二氧化鈦光陽極的物理化學(xué)原理，通過光電流-光電壓（I-V曲線）和交流阻抗圖譜（EIS圖譜）等測(cè)試方法全面分析了電池的光電性能，提出了生物質(zhì)合成貴金屬納米顆粒修飾二氧化鈦光陽極改善電池光電性能的作用機(jī)制。其主要研究結(jié)果如下:
　　1、本文采用洋蒲桃提取液作為還原劑合成Ag納米顆粒修飾TiO2光陽極（采用化學(xué)法和光沉積法作為

3、對(duì)比試驗(yàn)研究），考察不同還原方法對(duì)Ag納米粒子形貌及粒徑的影響以及對(duì)電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明植物生物質(zhì)合成得到的Ag納米顆粒大小與化學(xué)法基本相同，并且優(yōu)于光沉積法，還原Ag+所得Ag納米顆粒在TiO2表面均勻分布，平均粒徑為4.0 nm。洋蒲桃提取液在Ag+還原過程中起到還原劑、配位劑及穩(wěn)定劑的作用。生物質(zhì)合成銀納米顆粒修飾的二氧化鈦光陽極在二氧化鈦表面存在一定數(shù)量生物質(zhì)殘基，殘留羥基與染料分子之間的相互作用有效提高染料吸附量，相比

4、其它方法（化學(xué)法和光沉積法）染料吸附量提高了17％。光陽極中洋蒲桃提取液殘留有機(jī)基團(tuán)對(duì)Ag納米顆粒具有保護(hù)作用，防止Ag納米顆粒使用過程中被氧化，殘留羥基還可以有效改善光陽極中電子的注入與傳輸效率。
　　2、研究表明，Ag修飾后光陽極染料吸附量增加，syzygium-1.3％Ag-TiO2，glucose-1.3％Ag-TiO2和UV-1.3％Ag-TiO2光陽極吸附的染料分別為TiO2光陽極的1.4、1.2和1.2倍。光陽極中A

5、g納米顆粒的表面等離子體共振作用可以有效提高染料分子對(duì)光的吸收，從而產(chǎn)生更多的光生電子，增大電池的光電流。Ag修飾TiO2光陽極電阻減小，有利于光陽極中電子的傳輸?；趕yzygium-1.3％Ag-TiO2光陽極電池短路電流密度為11.80 mAcm-2、光電轉(zhuǎn)換效率為5.12％，較空白組分別提高了57.8％和52.8％，其光電轉(zhuǎn)換相對(duì)于化學(xué)法與光沉積法分別提高了12.8％和33.7％，同時(shí)負(fù)載Ag后電池開路電壓提高了30-40 mv

6、。
　　3、在金屬表面等離子體共振方面，Au與Ag具有相同的作用，本文采用洋蒲桃提取液和花青素提取液作為還原劑還原Au修飾TiO2。洋蒲桃提取液還原Au3+所得Au納米顆粒2.47 nm，花青素提取液還原Au3+所得Au納米顆粒平均粒徑為2.20nm?；ㄇ嗨靥崛∫哼€原Au修飾TiO2由于Au-Au及Au-TiO2間的特殊作用使得敏化后光陽極對(duì)光的吸收發(fā)生紅移，更有利于吸收可見光。負(fù)載Au后光陽極傳輸電阻由78.4Ω減小為19Ω左右

7、，大大減小了光陽極中電子的傳輸阻力;TiO2膜電子壽命由13.1 ms增加到28.3 ms，納米Au的負(fù)載能夠延長(zhǎng)光陽極中電子的電子壽命，減小電子的復(fù)合效率。當(dāng)Au負(fù)載量為0.5％時(shí)電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值，其中以cyanidin-0.5％Au-TiO2 DSSC性能最佳，短路電流密度為11.3 mA cm-2，光電轉(zhuǎn)換效率為5.18％，相對(duì)于空白組分別提高了31.4％和41.1％。
　　4、將syzygium-1.3％Ag-T

8、iO2和cyanidin-0.5％Au-TiO2按不同比例混合后制備Au/Ag-TiO2雙金屬復(fù)合光陽極，考察Au、Ag納米顆粒在電池光陽極中的不同作用。電池I-V曲線測(cè)試表明，光陽極中Au-TiO2可以起到提高光電流密度及減小電子復(fù)合的作用。隨著光陽極中Ag-TiO2質(zhì)量比的增加，電池開路電壓逐漸增大，說明光陽極中Ag納米顆粒有利于提高電池開路電壓。電池電化學(xué)阻抗譜測(cè)試表明，光陽極中Au-TiO2更有利于減小光陽極傳輸電阻，提高電子傳