TiO2納米晶薄膜電極的表面修飾和光電化學性質.pdf

1、隨著人類工業(yè)文明的迅速發(fā)展，煤、石油、天然氣等礦物資源正日益枯竭。世界范圍內能源供應日益緊張，能源問題將成為制約各國經濟發(fā)展的重要因素。作為礦物能源的替代能源，太陽能最具有開發(fā)和利用前景，越來越受到人們的重視。在太陽能的有效利用當中，太陽能電池是近年來發(fā)展最快，最具活力的研究領域。二十世紀九十年代發(fā)展起來的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池因其具有制備簡單、成本低、光電轉化率高等優(yōu)點，成為當前光電轉換器件的研究熱點之一。
　　 染料敏

2、化納米晶太陽能電池主要是由半導體納米晶薄膜、電解質、光電敏化劑以及對電極構成，各部件都對太陽能電池的光電性能有重要的影響。本論文主要從半導體納米晶薄膜和電解質這兩方面入手，研究改善太陽能電池光電轉化效率的方法和途徑。
　　 1.在染料敏化太陽能電池中，電解質起到傳輸電子和空穴的作用。其中的添加劑的種類對電池的性能有重要的影響，TBP和Li+是常用的添加劑。本文研究了TBP對納米晶TiO2電極的能帶結構以及表面態(tài)影響，應用光譜電化

3、學方法測定了納米晶TiO2電極在含有4-叔丁基吡啶(TBP)電解液中的平帶電勢(Efb)。TBP對納米晶TiO2電極的能帶結構具有顯著的影響。在不含和含有0.2或0.4mol·L-1TBP的0.2mol·L-1高氯酸四丁基銨(TBAP)/乙腈溶液中，測得TiO2電極的Efo依次為-2.25，一2.46和-2.60V。當加入Li+后，TiO2電極的Efb正移。在不含和含有0.2或0.4mol·L-1TBP的0.2mol·L-1LiClO4

4、/乙腈溶液中，測得TiO2電極的Efb依次為-1.12，-1.22和-1.30V。用時間分辨電流方法測定了陷阱態(tài)分布。在不含和含有0.2或0.4mol·L-1TBP的0.2mol·L-1TBAP/乙腈溶液中，測得TiO2電極的陷阱態(tài)密度依次為3.52×1016，3.18×1016和3.37×1016cm-2，陷阱態(tài)分布的最大值位于-1.99，-1.89和-1.85V處。Li+的加入進一步減少了陷阱態(tài)密度。在不含和含有0.2或0.4mol

5、·L-1TBP的0.2mol·L-1LiClO4/乙腈溶液中，測得TiO2電極的陷阱態(tài)密度依次為8.39×1015，1.11×1016和9.22×1015cm-2，陷阱態(tài)分布的最大值位于-0.72，-0.84和-0.95V處。最后，我們研究了N3染料敏化的納米晶TiO2電極在含有不同濃度TBP的電解質溶液中的光電化學性質。實驗結果顯示，隨著TBP濃度的增加，Voc增大，使TiO2電極的光電轉化效率增加。
　　 2.通過表面修飾改

6、善染料敏化納米晶TiO2薄膜太陽能電池的光電性能。因為納米結構半導體電極表面與電解質之間缺少耗盡層，注入到半導體導帶中的電子容易與電解質中的氧化性物質發(fā)生電荷復合，這是制約染料敏化太陽能電池轉化效率的一個主要因素，因此降低電荷復合就成為改善電池的光電轉化效率的關鍵。本文中我們用一種簡便的方法在納米晶TiO2電極上修飾了SrCO3和BaSO4層，用紅外分析手段證明了SrCO3和BaSO4修飾層的存在，并研究了SrCO3和BaSO4修飾層厚

7、度對納米晶TiO2電極的電化學和光電化學性能的影響。結果表明，SrCO3和BaSO4修飾層對納米晶TiO2電極的平帶電勢影響很小，修飾后使陷阱態(tài)密度顯著減小。實驗表明，要獲得好的光電性能，需要優(yōu)化SrCO3和BaSO4修飾層的厚度。N3敏化修飾一層SrCO3的納米晶TiO2薄膜太陽能電池在100mW/cm2的白光照射下的光電轉化效率值達到最大，為7.46％。N3敏化修飾二層BaSO4的納米晶TiO2薄膜太陽能電池在100mW/cm2的白

8、光照射下的光電轉化效率值達到最大，為7.56％，比純的TiO2電極獲得的光電效率增大大約6％。
　　 3.本文中我們用一種簡便的方法在N3敏化的納米晶TiO2電極的表面修飾了BaSO4層，用分析手段證明了納米晶TiO2電極表面BaSO4的存在。我們也研究了BaSO4修飾層厚度對電極的電化學和光電化學性能的影響。我們用光譜電化學的方法研究了BaSO4修飾層對N3敏化的納米晶TiO2電極的平帶電勢Efb的影響。實驗結果顯示，用BaS