基于金屬氧化物光陽(yáng)極的染料敏化太陽(yáng)能電池研究

【摘要】：最近幾年，染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)引起了廣泛的關(guān)注，作為綠色能源的替代者，它具有價(jià)格便宜，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)有望成為綠色能源的主導(dǎo)。DSSC的核心組成部件是光陽(yáng)極，它起著傳輸電子和吸附染料的作用。作為寬禁帶金屬氧化物，TiO_2組裝的DSSC表現(xiàn)出較高的光電轉(zhuǎn)換效率從而得到廣泛的應(yīng)用。但是，由于TiO_2對(duì)染料降解有催化作用，電子傳輸慢，從而導(dǎo)致載流子在傳輸過(guò)程復(fù)合等問(wèn)題阻礙了DSSC的發(fā)展。其他半導(dǎo)體氧化物，如ZnO，Nb_2O_5和SnO_2因有望取代TiO_2而成為一種新的光陽(yáng)極。 相對(duì)于TiO_2，SnO_2具有更快的電子傳輸能力,而且，SnO_2的帶隙寬度比TiO_2大，可最大限度的減小染料在紫外-可見(jiàn)光照射下的降解，使DSSC具有更長(zhǎng)的壽命。本文合成了SnO_2納米棒，SnO_2介孔球，片狀SnO_2微球和線(xiàn)狀TiO_2微球，采用X-射線(xiàn)衍射儀、掃描電子顯微鏡和比表面積分析儀對(duì)樣品的晶相、形貌、比表面積和孔徑分布進(jìn)行了表征。將合成的SnO_2納米棒，SnO_2介孔球，片狀SnO_2微球和線(xiàn)狀TiO_2微球分別制備成光陽(yáng)極并將其組裝成DSSC，采用電化學(xué)工作站測(cè)量電池的光電性能。本文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下： (1)以三水錫酸鈉為錫源，通過(guò)水熱法合成了尺寸均勻的SnO_2納米棒。其直徑范圍在40~80nm之間，長(zhǎng)度在200nm左右，為純的金紅石型材料。由于一維結(jié)構(gòu)的氧化物表現(xiàn)出較快的電子傳輸性能和較低的載流子復(fù)合幾率，由SnO_2納米棒組裝的DSSC光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.21%，明顯高于SnO_2納米顆粒電池。為了進(jìn)一步抑制電子在薄膜傳輸過(guò)程中的復(fù)合，利用TiO_2對(duì)薄膜電極進(jìn)行修飾。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TiO_2能有效地抑制暗電流，從而提高了SnO_2納米棒基DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率。 (2)以硫酸亞錫為錫源，成功合成了SnO_2介孔球，SEM圖片顯示該微球的尺寸在100~800nm之間并且由許多納晶緊密聚集而成。相比于SnO_2納米顆粒，SnO_2介孔球具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，介孔球較大的尺寸使薄膜具有更強(qiáng)的光散射性能；其次，緊密堆砌的SnO_2納晶顆粒使SnO_2介孔球具有更快的電子傳輸速度，從而有效抑制了載流子的復(fù)合；最后，SnO_2介孔球較大的比表面積提高了染料的吸附量。基于上述優(yōu)點(diǎn)，由SnO_2介孔球組裝的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.26%，比SnO_2納米顆?；鵇SSC提高了27.3%。 (3)以氯化亞錫為錫源，采用水熱法合成了片狀SnO_2微球。所合成的樣品呈球狀并且由許許多多的納米片堆砌而成，球徑在1~4μm之間。由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，片狀SnO_2微球具有優(yōu)異的電子傳輸性能和光散射性能。利用四氯化鈦溶液的水解制備了TiO_2SnO_2復(fù)合膜，有效減小了暗電流，從而改善了電池的光電性能。以復(fù)合膜組裝的DSSC的光電效率高達(dá)4.55%，比未經(jīng)修飾的片狀SnO_2微球電池提高了近2倍。 (4)以鈦酸四丁酯為鈦源，通過(guò)水熱法合成了線(xiàn)狀TiO_2微球。所合成的樣品是由直徑約10nm的納米線(xiàn)緊密連接而成，其比表面積高達(dá)112m2·g1，平均球徑約為3μm，呈介孔結(jié)構(gòu)。由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，線(xiàn)狀TiO_2微球具有優(yōu)異的染料吸附性能和光散射性能。使用線(xiàn)狀TiO_2微球和TiO_2納米顆粒兩種尺寸的TiO_2制備雙層結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極，并將其應(yīng)用于DSSC中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種雙層結(jié)構(gòu)的DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)7.31%，比TiO_2納米顆粒電池和線(xiàn)狀TiO_2微球電池分別提高了10.1%和13.1%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 SnO_2納米棒 SnO_2介孔球 片狀SnO_2微球 線(xiàn)狀TiO_2微球
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4;O611.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 前言12-13
• 1.2 DSSC 結(jié)構(gòu)和工作原理13-16
• 1.2.1 DSSC 基本結(jié)構(gòu)13-15
• 1.2.2 DSSC 工作原理15-16
• 1.3 DSSC 光陽(yáng)極研究進(jìn)展16-20
• 1.3.1 金屬氧化物電極材料16-17
• 1.3.2 具有核殼結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極17
• 1.3.3 一維結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極17-19
• 1.3.4 具有三維層次結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極19-20
• 1.4 DSSC 敏化劑研究進(jìn)展20-22
• 1.4.1 金屬配合物20-21
• 1.4.2 卟啉類(lèi)和酞菁類(lèi)21
• 1.4.3 天然染料21-22
• 1.4.4 量子點(diǎn)22
• 1.5 DSSC 電解質(zhì)研究進(jìn)展22-23
• 1.5.1 液態(tài)電解質(zhì)22
• 1.5.2 固態(tài)電解質(zhì)22-23
• 1.6 本論文的研究?jī)?nèi)容及意義23-26
• 第2章 SnO_2納米棒的制備及其在 DSSC 中的應(yīng)用26-36
• 2.1 引言26
• 2.2 實(shí)驗(yàn)26-28
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器26-27
• 2.2.2 SnO_2納米棒的合成27
• 2.2.3 SnO_2漿體的制備27
• 2.2.4 DSSC 光陽(yáng)極的制備27-28
• 2.2.5 樣品表征28
• 2.2.6 DSSC 組裝及光電性能測(cè)試28
• 2.3 結(jié)果與分析討論28-34
• 2.3.1 晶體結(jié)構(gòu)與形貌分析28-30
• 2.3.2 DSSC 光電性能30-31
• 2.3.3 電化學(xué)阻抗分析31-33
• 2.3.4 光陽(yáng)極的修飾33-34
• 2.4 本章小結(jié)34-36
• 第3章 SnO_2介孔球的制備及其在 DSSC 中的應(yīng)用36-46
• 3.1 引言36-37
• 3.2 實(shí)驗(yàn)37-38
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器37
• 3.2.2 SnO_2介孔球的制備37
• 3.2.3 SnO_2漿體的制備37
• 3.2.4 DSSC 光陽(yáng)極的制備37
• 3.2.5 樣品表征37-38
• 3.2.6 DSSC 組裝及光電性能測(cè)試38
• 3.3 結(jié)果與分析討論38-45
• 3.3.1 晶體結(jié)構(gòu)分析38-39
• 3.3.2 形貌及微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析39
• 3.3.3 BET 比表面積和孔徑分布39-40
• 3.3.4 光陽(yáng)極漫反射光譜分析40-41
• 3.3.5 光陽(yáng)極染料吸附量分析41-42
• 3.3.6 DSSC 光電性能42
• 3.3.7 電化學(xué)阻抗分析42-43
• 3.3.8 光陽(yáng)極的修飾43-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 第4章 片狀 SnO_2微球的制備及其在 DSSC 中的應(yīng)用46-56
• 4.1 引言46
• 4.2 實(shí)驗(yàn)46-48
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器46
• 4.2.2 片狀 SnO_2微球的制備46-47
• 4.2.3 SnO_2漿體的制備47
• 4.2.4 DSSC 光陽(yáng)極的制備47
• 4.2.5 樣品表征47
• 4.2.6 DSSC 組裝及光電性能測(cè)試47-48
• 4.3 結(jié)果與分析48-54
• 4.3.1 晶體結(jié)構(gòu)分析48
• 4.3.2 形貌及微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析48-49
• 4.3.3 比表面積及孔徑分布49-50
• 4.3.4 光陽(yáng)極的修飾50-51
• 4.3.5 DSSC 光電性能51-52
• 4.3.6 光陽(yáng)極漫反射光譜分析52-53
• 4.3.7 電化學(xué)阻抗分析53-54
• 4.4 本章小結(jié)54-56
• 第5章 線(xiàn)狀 TiO_2微球的制備及其在 DSSC 中的應(yīng)用56-66
• 5.1 引言56
• 5.2 實(shí)驗(yàn)56-58
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器56
• 5.2.2 線(xiàn)狀 TiO_2微球漿體的制備56-57
• 5.2.3 TiO_2納米顆粒漿體的制備57
• 5.2.4 DSSC 光陽(yáng)極的制備57
• 5.2.5 樣品表征57-58
• 5.2.6 DSSC 組裝及光電性能測(cè)試58
• 5.3 結(jié)果與分析58-65
• 5.3.1 晶體結(jié)構(gòu)分析58
• 5.3.2 形貌及微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析58-59
• 5.3.3 比表面積及孔徑分布59-60
• 5.3.4 光陽(yáng)極漫反射光譜分析60-61
• 5.3.5 光陽(yáng)極染料性能分析61
• 5.3.6 電化學(xué)阻抗分析61-63
• 5.3.7 DSSC 光電性能63-64
• 5.3.8 IPCE 分析64-65
• 5.4 本章小結(jié)65-66
• 第6章 總結(jié)66-68
• 參考文獻(xiàn)68-76
• 致謝76-78
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及研究成果78

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