低維納米材料的合成及在全金屬襯底染料敏化太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、近年來(lái)，染料敏化太陽(yáng)電池(Dye-sensitized solar cells，DSSCs)因相對(duì)傳統(tǒng)硅電池具有成本低，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單并有較高的轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)而成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)DSSCs以導(dǎo)電玻璃為襯底，并在上面鍍上一層多孔納米晶顆粒薄膜作為光陽(yáng)極。在光陽(yáng)極中，染料敏化劑產(chǎn)生的電子在納米晶TiO2薄膜顆粒之間傳輸時(shí)因顆粒之間存在晶界及顆粒排列不規(guī)則等缺陷而存在著大量的復(fù)合損失。一維納米材料如納米線(xiàn)、納米管等，能夠給激發(fā)的電子提供快

2、速傳輸?shù)耐ǖ篮蜏p少晶界缺陷進(jìn)而減小電子復(fù)合損失。因此，研究一維納米材料的合成及研究其在DSSCs中的應(yīng)用具有重要的意義。此外，DSSCs在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中面臨著一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，由于導(dǎo)電玻璃的面電阻太大造成電子的收集效率過(guò)低，難以制備高效大面積的電池或組件。在DSSCs結(jié)構(gòu)中采用全鈦金屬襯底設(shè)計(jì)，不但可以減小電池的內(nèi)阻而且還可以原位生長(zhǎng)低維納米材料制備柔性電池，這對(duì)今后實(shí)現(xiàn)制作大面積DSSCs和拓寬其應(yīng)用范圍具有十分重要的意義。
　　

3、本文在研究制備低維納米材料工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合全金屬襯底和原位生長(zhǎng)低維納米材料的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了低維納米材料基全金屬襯底DSSCs器件。和傳統(tǒng)DSSCs比較，這些器件具有高效收集電子和高效吸光的能力，而且光陽(yáng)極優(yōu)良的力學(xué)性能有利于將器件制備成柔性DSSCs。
　　 ⑴與傳統(tǒng)導(dǎo)電玻璃基DSSCs相比，本論文提出的全金屬襯底DSSCs在太陽(yáng)光的利用和降低DSSCs內(nèi)阻上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。為了研究TiO2不同薄膜厚度對(duì)全金屬襯底DSSCs性能

4、的影響，我們采用溶膠-凝膠結(jié)合提拉鍍膜法獲得了不同厚度的光陽(yáng)極，通過(guò)優(yōu)化薄膜厚度參數(shù)，獲得全鈦基底DSSCs最優(yōu)光電轉(zhuǎn)換效率為5.46％。
　　 ⑵利用激光灌孔技術(shù)制備了具有傾斜微孔陣列的光陽(yáng)極，并在此基礎(chǔ)上制備了前輻照納米管基DSSCs。該器件獲得了4.1％的轉(zhuǎn)換效率，與相同制備工藝條件的背輻照納米管DSSCs相比，其光電轉(zhuǎn)換效率提高了32.3％。傾斜微孔陣列電極實(shí)現(xiàn)了多種功能：給電解液提供擴(kuò)散通道，作為光陷阱結(jié)構(gòu)，提供更大的

5、表面積并吸附更多染料；增大了TiO2納米管和鈦基底的附著力。結(jié)果表明，微孔陣列通過(guò)其粗糙面將納米管薄膜和基底牢固地結(jié)合在一起，其優(yōu)良的力學(xué)性能有利于今后制備柔性DSSCs。
　　 ⑶研究了用堿溶液水熱法制備包括納米片、納米花、納米線(xiàn)等低維納米材料并提出了它們生長(zhǎng)演變的過(guò)程和機(jī)理。同時(shí)也研究了這些低維納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。
　　 ⑷制備了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiO2納米線(xiàn)基的高度柔性全金屬DSSCs。TiO2納米線(xiàn)直接生長(zhǎng)于微孔陣列

6、電極上，制備的納米線(xiàn)直徑約為20-30 nm，長(zhǎng)度在5-6μm。在器件彎曲角度達(dá)120°時(shí)，該器件顯示了良好的力學(xué)穩(wěn)定性而且其光伏性能受彎曲角度變化的影響也很小。
　　 ⑸將TiO2納米線(xiàn)應(yīng)用到全金屬立體吸光DSSCs中，納米線(xiàn)薄膜顯示了良好的力學(xué)性能。研究表明納米線(xiàn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于染料吸附和電解液傳輸，具有提高電池效率的潛力。同時(shí)將溶膠-凝膠工藝和水熱工藝相結(jié)合，制備了TiO2納米線(xiàn)/TiO2納米顆粒雙層復(fù)合膜。納米線(xiàn)在雙層復(fù)