基于氧化鈦納米管陣列光陽極的染料敏化太陽能電池的研究

【摘要】：Ti02具有優(yōu)良的光敏、氣敏和光電等特性,在光催化降解污染物、各種傳感器和太陽能電池等高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用,己成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)半導(dǎo)體材料。一維TiO2納米管具有排列規(guī)則的特殊結(jié)構(gòu)、較大的比表面積以及較強(qiáng)的吸附能力,表現(xiàn)出較高的光催化性能與光電轉(zhuǎn)換效率。本論文采用制備工藝簡單的電化學(xué)陽極氧化法制備具有直接電子傳輸通道的Ti02納米管陣列薄膜,通過采用TiCl4處理、TiO2溶膠處理和對(duì)溶膠顆粒進(jìn)一步摻雜等方法對(duì)納米管陣列光陽極進(jìn)行了一系列表面處理,顯著提高了染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 采用兩步電化學(xué)陽極氧化法在Ti箔上制備出排列規(guī)則、高度有序的Ti02納米管陣列薄膜,通過調(diào)節(jié)陽極氧化時(shí)間和溫度控制納米管陣列膜的厚度,并對(duì)納米管的形成機(jī)制進(jìn)行了研究。而且,我們成功地實(shí)現(xiàn)了Ti02納米管陣列薄膜的剝離、轉(zhuǎn)移和電池組裝,在模擬標(biāo)準(zhǔn)太陽光照射下對(duì)電池進(jìn)行光電性能的測試。 為了提高電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率,我們對(duì)光陽極分別進(jìn)行了以下優(yōu)化處理： [1]通過TiC14處理將直徑約為10nm的TiO2顆粒引入到納米管陣列中,由于引入的顆粒增加了納米管的比表面積,顯著地增大了光陽極對(duì)染料分子的吸附量,采用0.04MTiCl4處理時(shí),獲得了3.13%的光電能量轉(zhuǎn)換效率,在濃度不變的情況下,對(duì)光陽極進(jìn)行不同時(shí)間處理,電池的能量轉(zhuǎn)換效率從純管的4.70%增加到7.63%。 [2]采用溶膠-凝膠法成功制備出TiO2溶膠,將納米管陣列膜進(jìn)行浸泡處理后,成功地在納米管陣列中引入了直徑約為20nm的TiO2顆粒。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),TiO2溶膠處理納米管陣列的較佳時(shí)間為0.5-2小時(shí),獲得了9.6%以上的能量轉(zhuǎn)換效率,處理2小時(shí)可以獲得9.86%的最高轉(zhuǎn)換效率。電池效率的提高一方面是由于顆粒引入帶來的光陽極表面積增加,另一方面是由于引入20nm的顆粒,可以實(shí)現(xiàn)有效的頸部連接,避免傳輸過程中載流子的界面復(fù)合；更重要的是由于溶膠制備過程中氨水和酒精的添加導(dǎo)致大量的羥基基團(tuán)被引入到氧化鈦表面,與染料分子中的羧基基團(tuán)進(jìn)行結(jié)合,提高了納米管陣列對(duì)染料的吸附量,從而顯著提高了電池的短路電流和能量轉(zhuǎn)換效率。 [3]進(jìn)一步在氧化鈦溶膠制備過程中引入W摻雜,將摻雜顆粒引入到氧化鈦納米管陣列中。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),適量的W摻雜可以調(diào)控光陽極的導(dǎo)帶位置正移,提高光生載流子從激發(fā)態(tài)的染料分子注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶的效率,同時(shí)可以抑制載流子在傳輸過程中與氧化態(tài)染料和電解液中13-的復(fù)合,當(dāng)摻雜含量為0.8wt%時(shí),電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.11%。 【關(guān)鍵詞】：TiO_2納米管陣列薄膜 染料敏化太陽能電池 TiCl_4修飾 TiO_2溶膠處理 W摻雜處理
【學(xué)位授予單位】：湖北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太陽能電池概述12-13
• 1.2.1 太陽能電池的研究背景12
• 1.2.2 太陽能電池的分類12-13
• 1.3 染料敏化太陽能電池簡介13-14
• 1.4 TiO_2納米管的制備及應(yīng)用14-16
• 1.5 本論文的研究目的及研究內(nèi)容16-17
• 第2章 實(shí)驗(yàn)儀器與測試方法17-21
• 2.1 實(shí)驗(yàn)所用儀器17-18
• 2.2 實(shí)驗(yàn)測試方法18-21
• 2.2.1 樣品的形貌測試18-19
• 2.2.2 樣品的物相測試19-20
• 2.2.3 光電性能測試20-21
• 第3章 TiO_2納米管陣列膜的制備21-25
• 3.1 TiO_2納米管陣列的制備21-22
• 3.2 TiO_2納米管的性能測試22-23
• 3.2.1 TiO_2納米管的形貌測試22-23
• 3.2.2 TiO_2納米管的物相測試23
• 3.3 TiO_2納米管的形成機(jī)制23-24
• 3.4 小結(jié)24-25
• 第4章 染料敏化太陽電池的制備及性能優(yōu)化25-35
• 4.1 引言25
• 4.2 染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)與工作原理25-27
• 4.2.1 染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)25-26
• 4.2.2 染料敏化太陽電池的工作原理26-27
• 4.3 基于TNT陣列膜DSSC的結(jié)構(gòu)與制備27-29
• 4.3.1 基于TNT/FTO光陽極DSSC的結(jié)構(gòu)27
• 4.3.2 基于TNT/FTO光陽極DSSC的制備27-29
• 4.4 基于TNT/FTO光陽極DSSC的光電性能測試29
• 4.5 TiCl_4處理基于TNT/FTO光陽極DSSC的性能測試29-33
• 4.5.1 光陽極的形貌測試29-30
• 4.5.2 光陽極的物相測試30-31
• 4.5.3 DSSC的光電性能測試31-33
• 4.6 小結(jié)33-35
• 第5章 TiO_2溶膠處理染料敏化太陽電池光陽極35-48
• 5.1 TiO_2溶膠的制備36
• 5.2 基于TiO_2/FTO光陽極的DSSC的組裝36
• 5.3 基于TiO_2/FTO光陽極DSSC的性能測試36-47
• 5.3.1 光陽極的形貌結(jié)構(gòu)測試36-38
• 5.3.2 光陽極的物相測試38-40
• 5.3.3 不同光陽極DSSC的光電性能測試40-43
• 5.3.4 TiO_2溶膠處理的TNT陣列DSSC的性能參數(shù)43-47
• 5.4 小結(jié)47-48
• 第6章 W摻雜處理染料敏化太陽電池光陽極48-54
• 6.1 W摻雜溶膠的制備48
• 6.2 基于W摻雜光陽極DSSC的性能測試48-53
• 6.2.1 基于W摻雜光陽極DSSC的光電性能測試48-52
• 6.2.2 W摻雜光陽極的物相測試52-53
• 6.3 研究中存在的困難53-54
• 結(jié)論54-56
• 參考文獻(xiàn)56-61
• 附錄61-62
• 致謝62-63

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