染料/鈣鈦礦敏化多形貌納米TiO_2太陽(yáng)能電池的制備和性能研究

【摘要】：納米TiO2因?yàn)榫邆湓S多獨(dú)特的性質(zhì),例如光催化性、光電性、化學(xué)穩(wěn)定性、低毒性等,而受到了廣泛的研究。目前納米TiO2的應(yīng)用很多,其中最讓人關(guān)注的一個(gè)應(yīng)用就是制備敏化太陽(yáng)能電池,因?yàn)檫@也許會(huì)成為解決能源危機(jī)的一個(gè)有效方法。納米TiO2用作染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的光陽(yáng)極材料的研究始于1991年,在這二十年里,DSSC得到了飛速的發(fā)展。而納米Ti02鈣鈦礦敏化太陽(yáng)能電池作為一種新型太陽(yáng)能電池,制造過程相對(duì)簡(jiǎn)單以及光電轉(zhuǎn)化效率高是其具有的巨大優(yōu)勢(shì),目前研究發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到19%以上,因而對(duì)于鈣鈦礦敏化太陽(yáng)能電池的研究也已經(jīng)成為當(dāng)前的前沿和熱點(diǎn)課題之一,人們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn),TiO2的形貌和結(jié)構(gòu)等,都對(duì)其作為光陽(yáng)極的效果產(chǎn)生巨大影響。TiO2納米棒陣列,由于具有一維結(jié)構(gòu),可以有效減少半導(dǎo)體中表面阱和晶界對(duì)光生電子的捕獲,從而促進(jìn)載流子更高效的傳輸,有利于電子的定向傳輸,受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。因此,本文主要是對(duì)染料／鈣鈦礦敏化多種特殊形貌納米TiO2太陽(yáng)能電池的制備和性能研究。主要工作包括：(1)在相對(duì)溫和的低溫條件下,使用硫酸氧鈦(TiOSO4)作為前驅(qū)體,通過簡(jiǎn)單的水解-縮合反應(yīng)制備出珊瑚結(jié)構(gòu)TiO2納米棒。珊瑚結(jié)構(gòu)TiO2納米棒作為染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極,對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并討論了不同的合成和煅燒條件對(duì)樣品的形貌、結(jié)構(gòu)和其組裝成的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能的影響。觀察可知在FTO基板生長(zhǎng)的珊瑚結(jié)構(gòu)TiO2納米棒具有雙層結(jié)構(gòu),底層為銳鈦礦相的二氧化鈦陣列薄膜,頂層為金紅石相的納米珊瑚線簇。以實(shí)驗(yàn)制備的珊瑚結(jié)構(gòu)TiO2納米棒作為光陽(yáng)極組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池,得到了極好的光電性能,并且隨著樣品煅燒溫度的提升,太陽(yáng)能電池的開路電壓、短路電流和光電轉(zhuǎn)化效率都越來越高,其中在600℃煅燒3小時(shí)的樣品獲得了最好的光電轉(zhuǎn)化效率,達(dá)到0.9%。(2)首次提出了一種新的全固態(tài)型染料敏化太陽(yáng)能電池,在我們的新型電池中采用了兩種不同的鈣鈦礦材料,鈦酸鍶和CsSnI2.95F0.05作為電子和空穴傳輸?shù)慕橘|(zhì)。通過兩步水熱法合成了異質(zhì)結(jié)構(gòu)TiO2-SrTiO3納米棒復(fù)合材料作為電池的光陽(yáng)極材料,并且采用N719染料作為全固態(tài)型染料敏化太陽(yáng)能電池的光敏化劑。結(jié)果表明,N719/TiO2-SrTiO3/CsSnI2.95F0.05系統(tǒng)匹配良好的能帶結(jié)構(gòu)可以作為促進(jìn)電荷分離的能量連接,從而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。更重要的是,在工業(yè)生產(chǎn)中,由于使用堿性水解方法制備TiO2具有相對(duì)高的生產(chǎn)率和較低的成本,因此目前來說二氧化鈦的工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)廣泛采用鈦鹽在堿性條件下水解的方法進(jìn)行制備。本實(shí)驗(yàn)之中我們討論了堿性前體反應(yīng)物濃度對(duì)TiO2-SrTiO3納米棒薄膜的光電化學(xué)性能的影響,并證明了TiO2-SrTiO3納米棒光陽(yáng)極可以提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(η)使其最高達(dá)到1.09%,是在堿性環(huán)境制備的純TiO2納米棒陣列的10倍以上(η～0.12%),因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)工業(yè)二氧化鈦太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)和發(fā)展具有重要意義。(3)采用簡(jiǎn)單的水熱方法在FTO(摻雜氟的Sn02導(dǎo)電玻璃(SnO2:F))襯底上直接合成了一維取向的單晶金紅石型二氧化鈦薄膜,然后使用二氧化鈦納米棒作為模板和反應(yīng)物,Sr(OH)2作為鍶源,通過水熱反應(yīng)成功在Ti02納米棒陣列的表面沉積了SrTiO3立方納米顆粒。并采用TiO2-SrTiO3納米棒復(fù)合材料作為電池的工作電極,鈣鈦礦型的CH3NH3PbI3和CsSnI2.95F0.05分別作為光敏劑和電解質(zhì)組裝鈣鈦礦敏化太陽(yáng)能電池。同時(shí)我們討論了煅燒溫度和反應(yīng)物濃度對(duì)電池性能的影響,通過調(diào)整煅燒溫度和二次水熱反應(yīng)中Sr(0H)2溶液的濃度,鈣鈦礦敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能得到了明顯改善,最高效率達(dá)到0.34%,是未經(jīng)SrTiO3修飾樣品的2倍。 【關(guān)鍵詞】：納米二氧化鈦 光電性能 鈣鈦礦 固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池
【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】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 緒論10-31
• 1.1 能源危機(jī)與新能源10-13
• 1.1.1 世界能源現(xiàn)狀10-11
• 1.1.2 新能源的開發(fā)及應(yīng)用11-13
• 1.2 太陽(yáng)能電池概述13-20
• 1.2.1 太陽(yáng)能電池種類14-17
• 1.2.2 太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)17-20
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)20-24
• 1.3.1 染料敏化太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)20-23
• 1.3.2 染料敏化太陽(yáng)能電池工作原理23-24
• 1.4 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSC)24-25
• 1.4.1 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池概述24
• 1.4.2 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)24-25
• 1.5 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池25-26
• 1.5.1 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池概述25-26
• 1.5.2 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池展望26
• 1.6 光陽(yáng)極材料納米TiO_2的研究26-30
• 1.6.1 納米二氧化鈦的結(jié)構(gòu)26-28
• 1.6.2 納米二氧化鈦的制備方法28-29
• 1.6.3 納米二氧化鈦的應(yīng)用29-30
• 1.7 選題目的及意義30-31
• 第2章 珊瑚結(jié)構(gòu)TiO_2的制備及其性能研究31-40
• 2.1 引言31
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分31-35
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器31-33
• 2.2.2 珊瑚結(jié)構(gòu)TiO_2納米棒陣列的制備及電池組裝33-35
• 2.2.3 表征和測(cè)試35
• 2.3 結(jié)果與討論35-39
• 2.3.1 珊瑚結(jié)構(gòu)TiO_2納米棒的形貌和結(jié)構(gòu)表征35-37
• 2.3.2 珊瑚結(jié)構(gòu)TiO_2納米棒為光陽(yáng)極的全固態(tài)太陽(yáng)能電池的光電性能37-39
• 2.4 本章小節(jié)39-40
• 第3章 SrTiO_3-TiO_2異質(zhì)結(jié)納米棒陣列的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的性能研究40-51
• 3.1 引言40-41
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分41-44
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器41-42
• 3.2.2 SrTiO_3-TiO_2納米棒陣列薄膜的制備42-43
• 3.2.3 表征和測(cè)試43-44
• 3.3 結(jié)果與討論44-50
• 3.3.1 SrTiO_3-TiO_2納米棒的形貌和結(jié)構(gòu)表征44-46
• 3.3.2 SrTiO_3-TiO_2納米棒為光陽(yáng)極全固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池光電性能46-50
• 3.4 本章小節(jié)50-51
• 第4章 SrTiO_3-TiO_2異質(zhì)結(jié)納米棒陣列的制備及其在鈣鈦礦敏化太陽(yáng)能電池中的性能研究51-61
• 4.1 引言51-52
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分52-55
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器52-53
• 4.2.2 SrTiO_3-TiO_2納米棒陣列薄膜的制備53-54
• 4.2.3 表征和測(cè)試54-55
• 4.3 結(jié)果與討論55-60
• 4.3.1 SrTiO_3-TiO_2納米棒的形貌和結(jié)構(gòu)表征55-57
• 4.3.2 SrTiO_3-TiO_2納米棒為光陽(yáng)極全固態(tài)鈣鈦礦敏化太陽(yáng)能電池光電性能57-60
• 4.4 本章小節(jié)60-61
• 結(jié)論61-63
• 參考文獻(xiàn)63-67
• 致謝67-68
• 攻讀碩士期間取得的相關(guān)科研成果68-71

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