硅質(zhì)殼/氧化鈦復(fù)合材料的制備及其在太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：由于硅藻硅質(zhì)殼在微納米尺度范圍內(nèi)具有精美絕倫的三維立體結(jié)構(gòu)，以及這種結(jié)構(gòu)賦予它的高比表面積、高韌性以及高傳輸率等非同一般的性質(zhì)，使其成為新型材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與此同時(shí)，隨著化石能源的日漸匱乏，太陽能作為新能源的典型代表被廣泛關(guān)注。近年來，通過眾多科學(xué)工作者的不懈努力，在太陽能電池的研究方面取得了很大的進(jìn)展，其中，染料敏化太陽能電池作為太陽能電池中的新成員，因其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、成本低廉而備受矚目。本文選取了個(gè)體較大、易于分離觀察的圓篩藻（Coscinodiscus sp.）硅質(zhì)殼為模板，利用鈦的前軀體，通過模板合成-乙酰丙酮-溶膠凝膠法，在溫和的條件下成功合成了基于圓篩藻硅質(zhì)殼三維結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)殼/氧化鈦復(fù)合材料和硅質(zhì)殼/摻N氧化鈦復(fù)合材料，并以此為基礎(chǔ)成功獲得了生物形狀的木耳狀氧化鈦納米材料；借助掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、X射線衍射（XRD）、紅外光譜（IR）以及固體熒光等表征手段對得到的三類材料進(jìn)行了表征，提出了材料制備的可能反應(yīng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，對比分析了不同材料的染料敏化太陽能電池的性能。 主要研究成果如下： （1）圓篩藻（Coscinodiscus sp.）硅質(zhì)殼呈精細(xì)的三維多級孔狀結(jié)構(gòu)； Si-O-Si基團(tuán)為硅質(zhì)殼上的主要基團(tuán)，未經(jīng)高溫煅燒處理的硅質(zhì)殼表面存在Si-OH活性基團(tuán)，但經(jīng)550℃以上的高溫加熱后，Si-OH活性基團(tuán)消失；硅質(zhì)殼的光致發(fā)光特征波長為311nm。 （2）利用圓篩藻硅質(zhì)殼模板-乙酰丙酮-溶膠凝膠法合成了硅質(zhì)殼/氧化鈦、硅質(zhì)殼/摻N氧化鈦以及生物形狀氧化鈦納米材料，并得出了基于該方法的最佳硅鈦摩爾比為3:1。在此基礎(chǔ)上闡述了制備過程的反應(yīng)機(jī)理。制備出了具有光放大功能的反蛋白石結(jié)構(gòu)的三種不同光電材料，即硅質(zhì)殼/氧化鈦、硅質(zhì)殼/摻N氧化鈦、木耳狀的生物形狀氧化鈦。通過掃描電子顯微分析，得出了硅質(zhì)殼/摻N氧化鈦復(fù)合材料的表面材料涂覆比硅質(zhì)殼/氧化鈦復(fù)合材料表面材料涂覆更加均勻；掃描電子顯微分析和X射線衍射分析結(jié)果表明生物形狀氧化鈦納米材料的氧化鈦粒徑有所減小，顯然，其木耳狀大大增加了材料的比表面積；通過熒光分析得出硅質(zhì)殼/氧化鈦復(fù)合材料的光致發(fā)光特征波長為399nm。 （3）制成了性能良好的以硅質(zhì)殼/氧化鈦復(fù)合材料改性的氧化鈦基染料敏化太陽能電池，其最大能量轉(zhuǎn)化率為3.12％，較同薄膜體積的氧化鈦染料敏化太陽能電池而言，能量轉(zhuǎn)化率提高了約50％。與此同時(shí)，得出了采用不同材料的染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化率的順序?yàn)椋杭尤牍栀|(zhì)殼/氧化鈦復(fù)合材料的＞加入圓篩藻硅質(zhì)殼的＞普通的。 【關(guān)鍵詞】：圓篩藻 溶膠凝膠法 硅質(zhì)殼/氧化鈦 生物形狀 染料敏化太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4;TB332
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 前言11-27
• 1.1 硅藻硅質(zhì)殼的結(jié)構(gòu)、改性及應(yīng)用11-15
• 1.2 染料敏化太陽能電池的概述15-25
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池簡介15-21
• 1.2.2 納米氧化鈦及應(yīng)用于 DSSC 光陽極的研究現(xiàn)狀21-25
• 1.3 本文的研究目標(biāo)和主要研究內(nèi)容25-27
• 2 實(shí)驗(yàn)部分27-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑材料27-28
• 2.2 圓篩藻的培養(yǎng)基硅質(zhì)殼結(jié)構(gòu)的提取與表征28-29
• 2.2.1 圓篩藻的培養(yǎng)28
• 2.2.2 圓篩藻硅質(zhì)殼的提取28-29
• 2.2.3 圓篩藻硅質(zhì)殼的表征29
• 2.3 圓篩藻硅質(zhì)殼/氧化鈦及生物形狀氧化鈦的合成29-30
• 2.3.1 圓篩藻硅質(zhì)殼/氧化鈦的合成29-30
• 2.3.2 生物形狀氧化鈦的合成30
• 2.4 圓篩藻硅質(zhì)殼/摻 N 氧化鈦及生物形狀摻 N 氧化鈦的合成30-31
• 2.4.1 圓篩藻硅質(zhì)殼/摻 N 氧化鈦的合成30-31
• 2.4.2 生物形狀摻 N 氧化鈦的合成31
• 2.5 納米材料的表征31-32
• 2.5.1 掃描電子顯微分析及能譜分析31
• 2.5.2 X 射線衍射分析31
• 2.5.3 固體熒光分析31-32
• 2.5.4 紅外光譜分析32
• 2.6 染料敏化太陽能電池的制作及其性能測試32-34
• 2.6.1 染料敏化太陽能電池的制作32-33
• 2.6.2 染料敏化太陽能電池的性能測試33-34
• 3 結(jié)果與討論34-54
• 3.1 圓篩藻硅質(zhì)殼的結(jié)構(gòu)、組成及光學(xué)性質(zhì)分析34-38
• 3.1.1 圓篩藻硅質(zhì)殼的顯微分析34-36
• 3.1.2 圓篩藻硅質(zhì)殼的固體熒光分析36-37
• 3.1.3 圓篩藻硅質(zhì)殼的紅外光譜分析37-38
• 3.2 圓篩藻硅質(zhì)殼/氧化鈦及生物形狀氧化鈦的分析38-49
• 3.2.1 硝酸-溶膠凝膠法制得的不同比例硅質(zhì)殼/氧化鈦復(fù)合材料分析38-44
• 3.2.2 生物形狀氧化鈦形貌分析、成分分析及晶相分析44-47
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)過程及反應(yīng)機(jī)理分析47-49
• 3.3 硅質(zhì)殼/摻 N 氧化鈦復(fù)合材料的表面形貌分析49-50
• 3.4 多種染料敏化太陽能電池的對比分析50-54
• 3.4.1 基于純氧化鈦薄膜染料敏化太陽能電池的光電性能分析50-51
• 3.4.2 摻入硅質(zhì)殼的染料敏化太陽能電池的光電性能分析51-52
• 3.4.3 摻入不同比例硅質(zhì)殼/氧化鈦的染料敏化太陽能電池的光電性能分析52-54
• 4 結(jié)論54-56
• 參考文獻(xiàn)56-66
• 致謝66-67
• 個(gè)人簡歷67-68
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文68-69

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