二氧化鈦納米晶和團(tuán)聚體的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池因其制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉和相對(duì)較高的光電轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)勢(shì)倍受關(guān)注。光陽(yáng)極作為染料敏化太陽(yáng)能電池的核心部件，起著負(fù)載染料、傳輸電子和增加光散射的作用。染料敏化太陽(yáng)能電池通常采用納晶TiO_2介孔薄膜光陽(yáng)極。最近，一種新型的TiO_2亞微米團(tuán)聚體被報(bào)道出來，因其具有比表面積大、優(yōu)良的光散射性能等特點(diǎn)，因此是有希望突破當(dāng)前染料敏化太陽(yáng)能電池性能的新型光陽(yáng)極材料。本文分別采用水熱法和溶膠凝膠-水熱法分別制備納晶TiO_2和TiO_2亞微米團(tuán)聚體；分別研究了不同膜厚的納米晶的電池性能和基于二者的分級(jí)結(jié)構(gòu)的電池性能。主要研究?jī)?nèi)容如下： （1）利用水熱法可控合成了9～40nm范圍內(nèi)的納晶TiO_2，研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、乙二醇量對(duì)納米顆粒尺寸、形貌、孔徑和孔分布的影響。未添加乙二醇時(shí)，TiO_2納米顆?？壮叽鐕?yán)重依賴于粒徑尺寸。乙二醇存在時(shí)顯著降低鈦鹽水解，利于合成大顆粒TiO_2；EG含量低時(shí)，孔尺寸變化規(guī)律仍然嚴(yán)重依賴于顆粒尺寸的變化，但EG含量高時(shí)，隨著粒徑尺寸的增加，TiO_2納米顆粒材料的孔尺寸反而降低。將上述TiO_2納米顆粒制備成不同膜厚的電池。測(cè)試表明，增加膜厚能顯著地提高光陽(yáng)極的光吸收能力，當(dāng)進(jìn)一步增加膜厚至19.2μm時(shí)，盡管在低波段的吸收能力達(dá)到極限，但可以繼續(xù)增強(qiáng)光陽(yáng)極對(duì)紅區(qū)的光的吸收能力。隨著膜厚增加，短路電流密度先快速增加然后增加緩慢，而開路電壓逐漸減小，電池效率先增加后減小，在膜厚8.6μm時(shí)，電池效率3.67%，繼續(xù)增加膜厚至19.2μm時(shí)，電池效率降低。 （2）溶膠凝膠-水熱法成功可控制制備出平均尺寸200～600nm的TiO_2亞微米團(tuán)聚體。十八胺的量、水量、靜置時(shí)間、水熱時(shí)間和水熱溫度對(duì)亞微米團(tuán)聚體尺寸和表面形貌均有影響，而氨水只會(huì)調(diào)控亞微米團(tuán)聚體的表面顆粒形貌和粗糙度，但是氨水量過多也會(huì)導(dǎo)致亞微米團(tuán)聚體及表面納米形貌破壞。測(cè)試表明，亞微米團(tuán)聚體TiO_2和納晶TiO_2分級(jí)結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極的紫外可見吸收能力在整個(gè)測(cè)試波段均有大幅提高，且拓寬了光吸收范圍。亞微米團(tuán)聚體TiO_2和納晶TiO_2分級(jí)結(jié)構(gòu)的電池的短路電流密度、電池效率均為純納晶TiO_2的近兩倍，電池開路電壓也有所提高。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 光陽(yáng)極 納晶TiO_2 亞微米團(tuán)聚體 水熱法
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-26
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義10-11
• 1.2 太陽(yáng)能電池概述11-17
• 1.2.1 太陽(yáng)能電池分類12
• 1.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及工作原理12-14
• 1.2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池技術(shù)指標(biāo)14-16
• 1.2.4 染料敏化太陽(yáng)能電池發(fā)展進(jìn)程16-17
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極研究現(xiàn)狀17-23
• 1.3.1 染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料種類17-19
• 1.3.2 光陽(yáng)極摻雜、包覆和修飾處理19-20
• 1.3.3 光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理20-21
• 1.3.4 光陽(yáng)極材料形貌改性研究21-23
• 1.4 二氧化鈦光陽(yáng)極制備方法23
• 1.5 課題來源及研究?jī)?nèi)容23-26
• 1.5.1 研究課題的來源23-25
• 1.5.2 課題研究?jī)?nèi)容25-26
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法26-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料26-27
• 2.1.1 主要化學(xué)試劑26-27
• 2.1.2 其他輔助材料27
• 2.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備27-28
• 2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池器件制備方法28-31
• 2.3.1 納晶TiO_2合成28
• 2.3.2 亞微米團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)TiO_2合成28-29
• 2.3.3 TiO_2漿料制備29
• 2.3.4 光陽(yáng)極制備29-30
• 2.3.5 TiO_2光陽(yáng)極敏化處理30
• 2.3.6 納米鉑對(duì)電極制備30
• 2.3.7 器件封裝30-31
• 2.4 物理性質(zhì)表征31-32
• 2.4.1 X射線衍射分析31
• 2.4.2 掃描電鏡（SEM）分析31
• 2.4.3 氮?dú)馕摳綔y(cè)試（BET）分析31-32
• 2.5 電池性能表征方法32-34
• 2.5.1 電流密度-電壓曲線測(cè)試32
• 2.5.2 入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率（IPCE）測(cè)試32
• 2.5.3 電化學(xué)阻抗譜測(cè)試32-33
• 2.5.4 紫外可見吸收光譜分析33-34
• 第3章 納米二氧化鈦制備及電池性能研究34-51
• 3.1 引言34
• 3.2 二氧化鈦納米顆粒水熱制備34-45
• 3.2.1 水熱反應(yīng)時(shí)間的影響35-38
• 3.2.2 水熱反應(yīng)溫度的影響38-40
• 3.2.3 乙二醇的影響40-45
• 3.3 基于納米TIO_2的染料敏化太陽(yáng)能電池性能研究45-50
• 3.3.1 不同膜厚光陽(yáng)極膜的構(gòu)筑和制備45-46
• 3.3.2 紫外可見吸收光譜研究46-47
• 3.3.3 電池性能研究47-49
• 3.3.4 電池阻抗測(cè)試分析49-50
• 3.4 本章小結(jié)50-51
• 第4章 亞微米團(tuán)聚體二氧化鈦制備及電池性能研究51-70
• 4.1 引言51
• 4.2 亞微米團(tuán)聚體TIO_2制備51-65
• 4.2.1 前驅(qū)體產(chǎn)物分析52-53
• 4.2.2 十八胺含量的影響53-56
• 4.2.3 水含量的影響56-58
• 4.2.4 靜置時(shí)間的影響58-60
• 4.2.5 氨水含量的影響60-62
• 4.2.6 水熱溫度的影響62-63
• 4.2.7 水熱時(shí)間的影響63-65
• 4.3 基于TIO_2亞微米團(tuán)聚體的染料敏化太陽(yáng)能電池性能研究65-68
• 4.3.1 亞微米團(tuán)聚體光陽(yáng)極的構(gòu)筑和制備65-66
• 4.3.2 紫外可見光譜研究66
• 4.3.3 電池性能研究66-68
• 4.4 本章小結(jié)68-70
• 結(jié)論70-71
• 參考文獻(xiàn)71-80
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果80-82
• 致謝82

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