染料敏化太陽能電池光陽極研究.pdf

1、染料敏化納米晶太陽能電池由于其低廉的成本、簡單的工藝、環(huán)境友好以及高的轉(zhuǎn)化效率被認(rèn)為可能取代傳統(tǒng)的硅太陽能電池,具有廣闊的應(yīng)用前景。多孔納米晶TiO2光陽極作為染料敏化太陽能電池的工作電極,其表面性能和內(nèi)部的電學(xué)性能決定了電池的轉(zhuǎn)化效率。TiO2光陽極的研究重點(diǎn)為TiO2納米晶的制備方法和成膜工藝,以及TiO2電極內(nèi)部和TiO2電極與溶液界面的電荷輸運(yùn)機(jī)制。但是目前仍然沒有一種可以簡單有效控制TiO2晶粒大小形貌的制備方法,薄膜制作工藝

2、也有待進(jìn)一步的研究,比如顆粒晶粒大小、比表面積和膜厚等等工藝參數(shù)的選擇,TiO2電極材料需要進(jìn)行優(yōu)化和結(jié)構(gòu)的改進(jìn),因此對(duì)TiO2光陽極的研究是非常必要的。
　　基于上述問題,本論文采用理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)TiO2光陽極進(jìn)行了深入的研究。理論上,采用第一性原理方法分析計(jì)算了摻雜TiO2的電子能帶結(jié)構(gòu),并分析了N摻雜和Ta摻雜對(duì)染料敏化納米晶太陽能電池的影響。實(shí)驗(yàn)上,應(yīng)用水熱法制備了不同晶粒大小的TiO2納米顆粒、N摻雜TiO

3、2微球和Ta摻雜TiO2微球,并制備TiO2電極組裝電池分析摻雜和微球形貌對(duì)電池性能的影響。本論文的主要工作如下:
　　(1)采用水熱法制備了納米TiO2顆粒,研究了不同水熱條件下TiO2的生長情況,通過調(diào)節(jié)硝酸量、水熱時(shí)間和水熱溫度來控制水解反應(yīng)和水熱生長,達(dá)到精確控制TiO2晶粒尺寸的目的,解決光陽極制備的一個(gè)難題。同時(shí)用不同粒徑大小的TiO2顆粒,其范圍為10nm～25nm,制備了TiO2電極并組裝液態(tài)電池,發(fā)現(xiàn)20nmTi

4、O2獲得了最高的轉(zhuǎn)化效率7.20％。
　　(2)從理論上分析如何提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率,采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法研究了N摻雜對(duì)TiO2電子能帶結(jié)構(gòu)的影響,同時(shí)與TiO2中含氧空位情形的電子能帶結(jié)構(gòu)做了對(duì)比分析,探討了N摻雜TiO2對(duì)電池性能的影響。
　　(3)采用水熱法制備了一系列的N摻雜納米TiO2微球,研究了不同的摻N量對(duì)電極的形貌,電池I-V特性以及電化學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示N摻雜提高了電池的光電流密度

5、Jsc、開路電壓Voc以及光電轉(zhuǎn)化效率h,這與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。Mott-Schottky測試表明N摻雜使得TiO2的平帶電勢負(fù)移,電化學(xué)阻抗譜測試表明 N摻雜增強(qiáng)了TiO2電極和電解質(zhì)之間的界面阻抗,從而阻礙了TiO2電極和電解質(zhì)之間的界面復(fù)合,有利于提高電池的開路電壓Voc。IMPS測試表明N摻雜提高了電子在TiO2薄膜內(nèi)的傳輸速度,從而增加了電池的短路電流Jsc。使用N719染料和準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì),N摻雜TiO2微球電池的轉(zhuǎn)化效率達(dá)

6、到了6.01％。
　　(4)采用第一性原理方法計(jì)算研究了Ta摻雜替代TiO2中不同配位的Ti原子TiO2的電子能帶結(jié)構(gòu),探討了Ta摻雜TiO2對(duì)電池性能的影響。
　　(5)采用水熱法制備了一系列的Ta摻雜納米TiO2微球,研究了不同水熱溫度和Ta摻雜對(duì)電極的形貌,電池I-V特性以及電化學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)提高水熱溫度和Ta摻雜都可以明顯改善電池的許多方面性能參數(shù),且與理論計(jì)算相符合,準(zhǔn)固態(tài)染料電池的轉(zhuǎn)化效率可提高到6.97％。