TiO2納米管陣列的制備及其在敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)由于其光電轉(zhuǎn)化效率高、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，性能穩(wěn)定，環(huán)保友好以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為新一代的太陽(yáng)能電池。光陽(yáng)極和敏化劑作為DSSC的重要組成部分成為研究的熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的光陽(yáng)極材料和敏化劑是TiO2納米晶和染料。電子在TiO2納米晶中傳輸時(shí)需要通過(guò)大量的晶界而導(dǎo)致速度慢、復(fù)合多、壽命短。TiO2納米管陣列(TNTs)能夠讓電子沿著管壁的方向快速的傳輸來(lái)減少?gòu)?fù)合增加壽命；另外，電子在單晶的TiO2納米顆粒(N

2、Ps)內(nèi)也能夠快速擴(kuò)散，也是一種良好的陽(yáng)極材料。由于染料價(jià)格昂貴，環(huán)境(如，水分等)對(duì)它的影響較大，而半導(dǎo)體量子點(diǎn)(QDs)成本低廉、易于制備、穩(wěn)定好，而且具有帶隙可調(diào)、高消光系數(shù)、多激子效應(yīng)等突出的光電特性，是一種非常有潛力的敏化材料。
　　本文合成了TiO2 TNTs和單晶的TiO2 NPs，采用X射線衍射儀(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和高倍透射電子顯微鏡(HRTEM)等對(duì)樣品的晶相、形貌進(jìn)行了表征。將合成的Ti

3、O2 TNTs和單晶TiO2 NPs分別制備成光陽(yáng)極并將其組裝成DSSC，采用電化學(xué)工作站和單色光光電轉(zhuǎn)化效率(IPCE)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量DSSC的光電性能。本文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)以含F(xiàn)-和水的乙二醇溶液為電解質(zhì)，采用陽(yáng)極氧化法在 Ti基板上合成了TiO2 TNTs，研究其生長(zhǎng)機(jī)理過(guò)程。通過(guò)陽(yáng)極氧化不同時(shí)間制備管長(zhǎng)不同的TNTs，最高達(dá)19.6μm。將TNTs膜從鈦片上剝離后轉(zhuǎn)移至FTO基板來(lái)制備前照明的電池，隨著TN

4、Ts膜厚度的增加其電池的光電轉(zhuǎn)換效率先增加后減小，最大效率為6.21％。在FTO玻璃與TiO2膜之間增加一層TiO2量子點(diǎn)阻擋層后，電池的電流密度和效率整體得到大幅度的提高，最大效率為8.43%，相較于無(wú)阻擋層的情況，電池效率提高了35.75%。
　　(2)將陽(yáng)極氧化得到的TiO2 TNTs在F-氛圍的密封環(huán)境中通過(guò)高溫處理原位生成了單晶的銳鈦礦相的TiO2 NPs；探索了TiO2 NPs的形成過(guò)程，結(jié)果表明：當(dāng)F-濃度過(guò)低時(shí)，T

5、iO2 TNTs不能完全轉(zhuǎn)化為NPs；且生成的NPs的粒徑隨著F-濃度的增加而減小。TiO2 NPs光陽(yáng)極制得的電池其光電轉(zhuǎn)化效率也是先增大后減小，效率最高為8.21%。雖然TiO2 NPs光陽(yáng)極制得的電池效率略低于TiO2 TNTs光陽(yáng)極電池的8.43%，但是它制備方法簡(jiǎn)單，也為TiO2 NPs的制備提供了一種新的思路。
　　(3)通過(guò)連續(xù)離子交換沉積法將CdS很好的敏化到TNTs光陽(yáng)極上，通過(guò)化學(xué)浴沉積成功合成了CuS對(duì)電極，

6、并與多硫電解質(zhì)一起應(yīng)用于CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSSC)。結(jié)果表明：CuS對(duì)電極相比Pt電極，更適用于CdS QDSSC，電池效率提高了18.8%。純水溶劑電解質(zhì)較水/乙醇溶劑電解質(zhì)效果更好且更穩(wěn)定，電池效率提高了22.1%。隨著離子交換次數(shù)的增加，CdS在TNTs上的覆蓋率增加，電流密度和效率增加；繼續(xù)增加離子交換沉積次數(shù)，使得電子復(fù)合增加，導(dǎo)致電池效率降低，電池效率最高達(dá)到了3.22%，明顯高于以Pt為對(duì)電極、水/甲醇溶劑電