二氧化鈦分級納米結(jié)構(gòu)光陽極的制備和界面調(diào)控.pdf

1、敏化太陽電池作為新型的太陽電池，具有成本較低、工藝簡易、材料來源廣泛、理論光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點而受到關(guān)注。當(dāng)前，染料敏化太陽電池(DSSC)和量子點敏化太陽電池(QDSSC)是最為常見的敏化電池種類。然而，電子傳輸速度慢、可見光利用率低以及染料、量子點的吸附不足等原因限制著敏化太陽電池的發(fā)展。本文著重于對光陽極材料的界面修飾，通過構(gòu)建二氧化鈦(TiO2)分級納米結(jié)構(gòu)、不同含量貴金屬Ag納米顆粒修飾TiO2分級納米結(jié)構(gòu)、以CdS空心球作為

2、吸收層制備雙層結(jié)構(gòu)光陽極等方式探索光陽極對電池性能的影響。相應(yīng)研究內(nèi)容和成果如下：
　　(1)采用水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃上制備尺寸均一的金紅石TiO2納米棒(TNR)。通過TiCl4在常溫下的浸泡可以可控的生長金紅石TiO2分枝得到分級TiO2納米棒（BTNR）。分別通過染料敏化、量子點敏化以及染料量子點共敏化三種方式制備DSSC、QDSSC和共敏化電池，并對比BTNR薄膜和TNR薄膜在光電性能上的差異。實驗結(jié)果表明，當(dāng)采用N71

3、9染料敏化時以BTNR構(gòu)建的BTNR/N719電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比于TNR/N719電池提升了133％。當(dāng)采用CdS量子點敏化時BTNR/CdS電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比于TNR/CdS電池提升了66.7％。當(dāng)采用染料、量子點共敏化時BTNR/CdS/N719電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比于TNR/CdS/N719提升了177％，均能說明分級TiO2納米棒性能的優(yōu)越性。
　　(2)采用光輔還原法制備的Ag負(fù)載的分級TiO2納米棒（BTNR/

4、Ag）光陽極并通過調(diào)節(jié)AgNO3濃度控制負(fù)載的Ag的含量，制備出的Ag在分級TiO2納米棒上呈梯度分布。通過光電性能的測試分析Ag含量的最優(yōu)值。研究表明，當(dāng)AgNO3濃度為2mM時光輔還原制備在BTNR上的Ag含量最佳。此時，BTNR/Ag3電池的光電轉(zhuǎn)換效率為2.83％，相比于BTNR電池提升了51.3％。對結(jié)果進(jìn)行分析可以說明:(1)小顆粒的Ag納米顆粒能夠通過表面等離激元效應(yīng)增加光的吸收;(2)靠近納米棒頂部的大顆粒的Ag納米顆粒

5、能夠提高光的散射性能從而更有效的利用光;(3)Ag納米顆粒的負(fù)載為染料的附著提供更多位點，因此吸附的染料更多，光吸收更強(qiáng);(4)肖特基勢壘使得載流子復(fù)合降低。然而，當(dāng)Ag含量過高時，Ag顆?？赡軙蔀殡娮?、空穴對的復(fù)合中心從而阻礙電池效率的提升，因此BTNR/Ag4電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低至2.01％。
　　(3)采用硬模板法制備TiO2空心球(THS)和CdS空心球(CHS)，通過滴涂法將空心球覆蓋在P25納米顆粒(TP)的表面制

6、備雙層結(jié)構(gòu)光陽極。以CHS作為吸收層構(gòu)建TP/CHS的雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)建的QDSSC(TP/CHS/CdS)并探索CHS對QDSSC性能的影響，并對比以THS作為散射層構(gòu)建的雙層結(jié)構(gòu)構(gòu)建的QDSSC(TP/THS/CdS)和單層P25納米顆粒構(gòu)建的QDSSC(TP/CdS)的電池性能。研究結(jié)果表明，TP/CHS/CdS相比于TP/CdS在光電性能方面提升幅度大，短路電流從4.52 mA·cm-2提升至8.21 mA·cm-2，且略高于TP/T

7、HS/CdS的7.61 mA·cm-2。TP/CHS/CdS的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.28％，高于TP/THS/CdS的2.04％和TP/CdS的1.16％。對于TP/THS/CdS電池，光電轉(zhuǎn)換效率提升的主要原因是THS對光散射的增強(qiáng)，使得電極對光的捕獲增強(qiáng)。而對于TP/CHS/CdS電池，性能提升的主要原因如下：(1)光散射增強(qiáng);(2) CHS自身的光吸收;(3)相比于THS，CHS的電子傳輸能力更加，載流子復(fù)合更少。因此，TP/CHS