改性納米TiO_2的制備及其在染料敏化太陽能電池中的性能研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池(DSSC)成本低廉、對(duì)環(huán)境無污染、制備工藝簡單,被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的新型光伏電池。二氧化鈦具有無毒、價(jià)格低廉、化學(xué)性能穩(wěn)定等特性,已被廣泛應(yīng)用于染料敏化太陽能電池、光催化、水分解、傳感器以及鋰離子電池等眾多領(lǐng)域。TiO2光陽極作為染料敏化太陽能電池的主要組成部分,應(yīng)該具備以下條件:較高的比表面積、較快的電子傳輸速率、有效地抑制光生載流子的復(fù)合等。因此,需要對(duì)納米TiO2進(jìn)行改性,使其能獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。本文主要通過納米TiO2與石墨烯復(fù)合、刻蝕法合成TiO2納米管陣列以及氮摻雜納米TiO2來提高染料敏化太陽能電池的光電性能。主要工作如下:(1)使用硫酸氧鈦(TiOSO4)作為鈦源,石墨烯作為支撐體,通過回流法合成銳鈦礦相二氧化鈦-石墨烯(TiO2-G)復(fù)合材料。通過X射線衍射(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、透射電子顯微鏡(TEM)以及熱重分析(TGA)對(duì)TiO2-G的晶體結(jié)構(gòu)、形貌和組成進(jìn)行表征。TiO2-G納米復(fù)合物中的TiO2和空白TiO2顆粒都呈紡錘狀結(jié)構(gòu)且長軸沿著[001]方向生長,復(fù)合物中的納米TiO2均勻地平鋪在石墨烯層表面。以TiO2-G為光陽極組裝成染料敏化太陽能電池,電池的光電轉(zhuǎn)換效率(2.30%)明顯高于空白TiO2電池(0.89%)。此外,對(duì)TiO2-G進(jìn)行煅燒處理也可以提高其光電性能,當(dāng)煅燒溫度從450 oC增加到600 oC時(shí),電池的轉(zhuǎn)化效率從1.50%升高到2.60%。以上結(jié)果說明TiO2-G復(fù)合物在染料敏化太陽能電池上具有很大的應(yīng)用潛力。(2)采用兩步水熱法直接在摻氟的二氧化錫透明導(dǎo)電玻璃(FTO)襯底上生長密集整齊的TiO2納米管陣列薄膜。通過X射線衍射、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡對(duì)TiO2納米管的晶體結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征。根據(jù)FESEM可知,當(dāng)刻蝕溫度從120 oC升高到200 oC時(shí),TiO2納米棒首先被刻蝕成納米管,然后再分裂成納米棒。以TiO2納米管為光陽極組裝成染料敏化太陽能電池,當(dāng)刻蝕溫度為140 oC時(shí),電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高為3.20%。這可能是因?yàn)門iO2納米管具有較大的比表面積,可以容納更多染料和捕獲更多的光子,由此可以看出二氧化鈦的形貌對(duì)染料敏化太陽能電池的光電性能產(chǎn)生一定的影響。進(jìn)一步煅燒處理可以使TiO2納米管的光電性能有明顯的提高,轉(zhuǎn)化效率呈先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)煅燒溫度為400 oC,煅燒時(shí)間為3 h,TiO2納米管具有最高的光電轉(zhuǎn)化效率,為4.74%。(3)以氨水為氮源,鈦酸丁酯為鈦源,通過簡單的水熱反應(yīng)在FTO襯底上生長金紅石相氮摻雜TiO2納米棒陣列。由X射線衍射儀(XPS)可知,反應(yīng)溶液中只有少量的氮元素進(jìn)入到TiO2,以O(shè)-Ti-N結(jié)構(gòu)存在。隨著氨水濃度的增加,TiO2納米棒的長度大幅增加。將氮摻雜TiO2納米棒組裝成染料敏化太陽能電池,電池的轉(zhuǎn)換效率先上升后下降,最高為2.88%。當(dāng)煅燒溫度為450 oC,煅燒時(shí)間為3 h時(shí),光電轉(zhuǎn)換效率提高到3.76%。對(duì)比煅燒前后樣品的XPS,煅燒處理使樣品表面的吸附氮進(jìn)入到TiO2。總之,適量的氨水濃度和煅燒溫度可以提高空白TiO2的光電性能。另外,為了評(píng)估全固態(tài)太陽能電池,以液態(tài)電解質(zhì)作為對(duì)比,發(fā)現(xiàn)液態(tài)電解質(zhì)組裝成電池的轉(zhuǎn)化效率(5.74%)比固態(tài)電解質(zhì)的高。因此對(duì)于全固態(tài)太陽能電池還有待進(jìn)一步改良,達(dá)到降低電池界面阻力,加快光生電荷轉(zhuǎn)移,提高光電轉(zhuǎn)化效率的目的。通過改變TiO2的形貌以及非金屬元素?fù)诫s,可以使TiO2染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率得到明顯的提高。對(duì)于TiO2納米棒的改性,反應(yīng)溶液的濃度、反應(yīng)溫度以及煅燒處理對(duì)其直徑、長度和結(jié)晶度均有不同程度的影響。隨著改良手段的不斷優(yōu)化,DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率也在不斷升高。選擇更為合適的制備以及后處理方案,依舊是我們下一步工作的重點(diǎn),以期獲得更高轉(zhuǎn)化效率的DSSC。 【關(guān)鍵詞】：二氧化鈦-石墨烯復(fù)合物 二氧化鈦納米管 氮摻雜 染料敏化太陽能電池 光電性能
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB383.1;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• abstract6-12
• 第1章 緒論12-32
• 1.1 能源危機(jī)及新能源12-14
• 1.1.1 能源現(xiàn)狀13
• 1.1.2 新能源的開發(fā)及利用13-14
• 1.2 太陽能電池14-17
• 1.3 染料敏化太陽能電池（DSSC）17-24
• 1.3.1 染料敏化太陽能電池的發(fā)展過程17-18
• 1.3.2 染料敏化太陽能電池的電池結(jié)構(gòu)18-21
• 1.3.3 染料敏化太陽能電池的工作原理21-22
• 1.3.4 染料敏化太陽能電池的性能參數(shù)和指標(biāo)22-24
• 1.4 納米二氧化鈦的研究24-28
• 1.4.1 納米二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)24-25
• 1.4.2 納米二氧化鈦的制備方法25-26
• 1.4.3 納米二氧化鈦的應(yīng)用26-28
• 1.5 二氧化鈦光陽極的改性28-30
• 1.5.1 非金屬摻雜28-29
• 1.5.2 金屬摻雜29
• 1.5.3 半導(dǎo)體復(fù)合29-30
• 1.5.4 形貌設(shè)計(jì)30
• 1.6 選題目的及意義30-32
• 第2章 TiO_2-G納米復(fù)合顆粒的制備及其在染料敏化太陽能電池中的研究32-42
• 2.1 引言32-33
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分33-36
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器33-34
• 2.2.2 TiO_2-G薄膜的制備34-35
• 2.2.3 TiO_2-G光陽極染料敏化35
• 2.2.4 Pt電極的制備35
• 2.2.5 電解液CsSnI_(2.95)F_(0.05)的制備35-36
• 2.2.6 DSSC的組裝36
• 2.2.7 表征和測(cè)試36
• 2.3 結(jié)果與討論36-41
• 2.3.1 TiO_2-G納米復(fù)合物的形貌和結(jié)構(gòu)表征36-39
• 2.3.2 TiO_2-G納米復(fù)合物為光陽極組裝成全固態(tài)太陽能電池的光電性能39-41
• 2.4 本章小節(jié)41-42
• 第3章 TiO_2納米管陣列的制備及其在染料敏化太陽能電池中的研究42-54
• 3.1 引言42
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分42-45
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器42-44
• 3.2.2 TiO_2納米管的制備44
• 3.2.3 DSSC的組裝44-45
• 3.2.4 表征和測(cè)試45
• 3.3 結(jié)果與討論45-53
• 3.3.1 刻蝕溫度對(duì)TiO_2納米管陣列的影響45-50
• 3.3.2 煅燒溫度對(duì)TiO_2納米管陣列的影響50-53
• 3.4 本章小節(jié)53-54
• 第4章 氮摻雜TiO_2納米棒陣列的制備及其在染料敏化太陽能電池中的研究54-65
• 4.1 引言54
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分54-57
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器54-56
• 4.2.2 N-TiO_2納米棒陣列的制備56
• 4.2.3 DSSC的組裝56
• 4.2.4 表征和測(cè)試56-57
• 4.3 結(jié)果與討論57-64
• 4.3.1 氨水濃度對(duì)氮摻雜TiO_2納米棒陣列的影響57-61
• 4.3.2 煅燒溫度對(duì)氮摻雜TiO_2納米棒陣列的影響61-64
• 4.4 本章小節(jié)64-65
• 結(jié)論65-67
• 參考文獻(xiàn)67-74
• 致謝74-75
• 攻讀碩士期間取得的相關(guān)科研成果75-77

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