染料敏化太陽能電池用TiO_2納米棒光陽極的研究

【摘要】：眾所周知,染料敏化太陽能電池(DSSC)研究中,用于吸附染料的光陽極材料至關(guān)重要,能否及時(shí)有效的將光生電子傳輸?shù)綄?dǎo)電層流向外電路,很大程度上決定了DSSC最終的光電轉(zhuǎn)換效率的高低。目前,納米TiO2是效果最好的光陽極材料,用的最多的就是多孔納米TiO2顆粒薄膜,但是多孔狀的納米TiO2顆粒薄膜由于界面較多,光生電子傳輸?shù)淖璧K較大,同時(shí)光生電子容易在此處復(fù)合,使得DSSC光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高受到了限制。而且多孔納米TiO2顆粒薄膜在FTO導(dǎo)電基底上的附著力較差,大面積印刷容易脫落,阻礙了DSSC大面積化的發(fā)展。因此,對(duì)光陽極材料進(jìn)行廣泛深入的研究顯得至關(guān)重要,特別需要研制出一種能夠快速分離、快速傳輸、對(duì)光生電子復(fù)合少的光陽極材料?；诂F(xiàn)有研究表明低維材料能為電子提供高速的流通通道,本文主要進(jìn)行了以下研究： 采用成本低廉、操作簡便的水熱法對(duì)TiO2納米棒陣列進(jìn)行了系列研究。通過金相顯微鏡、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和光電性能測試分析發(fā)現(xiàn),所制備的TiO2納米棒陣列薄膜非常均勻,附著力較好,不容易脫落；構(gòu)成這種薄膜的納米棒的直徑大約在100nm-900nm之間,棒的長度在4.5μ m左右；這種薄膜的生長受反應(yīng)溫度、反應(yīng)物鈦酸丁酯濃度和反應(yīng)時(shí)間的影響。反應(yīng)溫度太低則不能生長,過高則會(huì)腐蝕導(dǎo)電層,影響電子的傳輸；反應(yīng)物濃度較低或者反應(yīng)時(shí)間過短均不能生長出TiO2納米棒陣列薄膜；用這種TiO2陣列薄膜制備的光陽極組裝的DSSC,在AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽光照條件下(100mW/cm2)其光電轉(zhuǎn)換效率比較低,只有0.41%左右,分析其主要的原因在于納米棒與納米棒之間的間隙較小,染料吸附量較少；同時(shí)納米棒生長不完全,有許多缺陷,從而光生電子容易復(fù)合。 為了提高DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率,本文在TiO2納米棒陣列研究的基礎(chǔ)上,通過改變反應(yīng)條件制備出了一種結(jié)構(gòu)特殊的TiO2納米棒陣列-團(tuán)簇薄膜。通過金相顯微鏡、X射線衍射、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)和光電性能測試分析發(fā)現(xiàn),這種TiO2納米棒陣列-團(tuán)簇薄膜是一種雙層結(jié)構(gòu)的薄膜,下層為TiO2納米棒陣列層,上層為Ti02納米棒團(tuán)簇層,并且這兩層體系都是由棒狀TiO2組成的,棒的直徑在100nm～900nm之間,而這種棒是由更細(xì)小的納米棒組成,更細(xì)小的納米棒的直徑在27nm～60nm;這種Ti02納米棒陣列-團(tuán)簇薄膜的生長受到反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)物鈦酸丁酯的濃度和FTO導(dǎo)電基底放置角度等因素的影響。反應(yīng)時(shí)間較短時(shí),只會(huì)有TiO2陣列生成；反應(yīng)物鈦酸丁酯濃度較低時(shí)只會(huì)有陣列生成,較高時(shí)則薄膜會(huì)因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力的作用而從FTO導(dǎo)電基底上脫落；當(dāng)導(dǎo)電基底放置角度為180°時(shí),團(tuán)簇的生成量最多。這種TiO2納米棒陣列-團(tuán)簇薄膜在不經(jīng)過任何改性處理的情況下,作為光陽極組裝成DSSC,它的光電轉(zhuǎn)換性能可以達(dá)到1.24%,與只有TiO2陣列作為光陽極的DSSC相比,光電轉(zhuǎn)換性能提高了2倍多；生成這種薄膜團(tuán)簇層的TiO2納米棒之間的間距是比較大的,與純粹的納米棒陣列相比,能夠吸附更多的染料,從而提高光電流密度,因此這種特殊結(jié)構(gòu)對(duì)于進(jìn)一步研究新型染料敏化太陽能電池具有新的啟示。 【關(guān)鍵詞】：關(guān)鍵詞 DSSC TiO_2薄膜 水熱法 納米棒陣列 納米棒團(tuán)簇 光電轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目錄7-9
• 第1章 緒論9-26
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 太陽能利用技術(shù)11-14
• 1.2.1 硅基太陽能電池11-13
• 1.2.2 薄膜太陽能電池13-14
• 1.2.3 染料敏化太陽能電池(DSSC)14
• 1.3 DSSC電池的結(jié)構(gòu)和工作原理14-16
• 1.4 DSSC的研究進(jìn)展16-22
• 1.4.1 導(dǎo)電基底16
• 1.4.2 光陽極材料16-19
• 1.4.3 染料19-21
• 1.4.4 電解液21-22
• 1.4.5 對(duì)電極22
• 1.5 DSSC的發(fā)展前景22-24
• 1.6 DSSC目前存在的問題24
• 1.7 本論文的研究意義及研究內(nèi)容24-26
• 1.7.1 研究意義24-25
• 1.7.2 研究內(nèi)容25-26
• 第2章 實(shí)驗(yàn)部分26-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器26-27
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法及流程27-28
• 2.3 染料溶液的配制28
• 2.4 DSSC的組裝28-29
• 2.5 表征與測試方法29-34
• 2.5.1 XRD分析29-30
• 2.5.2 金相顯微鏡分析30
• 2.5.3 FESEM分析30-31
• 2.5.4 光電性能測試儀31-34
• 第3章 染料敏化太陽能電池TIO_2陣列薄膜制備及性能34-41
• 3.1 TIO_2納米陣列薄膜的制備34-35
• 3.2 結(jié)果與討論35-38
• 3.2.1 不同基底制備及對(duì)比35-36
• 3.2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)陣列薄膜形成的影響36-37
• 3.2.3 反應(yīng)物濃度對(duì)陣列薄膜形成的影響37-38
• 3.2.4 溫度對(duì)陣列薄膜形成的影響38
• 3.3 染料敏化TIO_2陣列薄膜太陽能電池的組裝和光電轉(zhuǎn)換性能測試38-39
• 3.4 本章小結(jié)39-41
• 第4章 染料敏化太陽能電池TIO_2陣列-團(tuán)簇薄膜制備及性能41-56
• 4.1 TIO_2陣列-團(tuán)簇薄膜的制備41-42
• 4.1.1 制備背景41
• 4.1.2 制備條件設(shè)置41-42
• 4.2 結(jié)果與討論42-54
• 4.2.1 XRD表征42-43
• 4.2.2 TIO_2納米棒陣列-團(tuán)簇薄膜的結(jié)構(gòu)43-44
• 4.2.3 反應(yīng)物濃度對(duì)陣列-團(tuán)簇薄膜形成的影響44-48
• 4.2.4 FTO放置角度對(duì)陣列-團(tuán)簇薄膜形成的影響48-51
• 4.2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)陣列-團(tuán)簇薄膜形成的影響51-54
• 4.3 本章小結(jié)54-56
• 第5章 結(jié)論與展望56-58
• 5.1 結(jié)論56-57
• 5.2 展望57-58
• 致謝58-59
• 參考文獻(xiàn)59-67
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果67

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