三維層次結(jié)構(gòu)TiO_2的制備及在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：染料敏化太陽能電池(DSSC)作為新一代太陽能電池，由于具有成本低廉、制作工藝簡單、環(huán)境友好及較高的光電轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)而得到廣大科研工作者的關(guān)注。在DSSC結(jié)構(gòu)中，光陽極是其核心部件。一般來說，高效的光陽極應(yīng)具備大的比表面積，快速的電子傳輸和強(qiáng)的光散射能力。但DSSC通常所使用的納晶TiO_2多孔膜是半透明的，且從染料所產(chǎn)生的電子要傳輸至透明導(dǎo)電氧化物電極需克服大量晶界勢壘。因此，通過調(diào)控TiO_2顆粒的微觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)，提高其吸附染料能力、電子傳輸以及光散射能力，從而提高DSSC光電轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。 本文通過水熱法制備了介孔TiO_2微球及花狀TiO_2微球，采用X-射線衍射儀(XRD)、場發(fā)射掃面電鏡(FESEM)、透射電鏡(TEM)和比表面積分析儀對(duì)樣品的物相、形貌、微觀結(jié)構(gòu)、比表面積、孔徑和孔容進(jìn)行分析。將合成的介孔TiO_2微球和花狀TiO_2微球制備光陽極并將其組裝成電池，采用電化學(xué)工作站和IPCE測試系統(tǒng)測量電池的光電性能，其主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下： (1)以Ti(SO_4)_2為鈦源，采用水熱法合成了具有高比表面積的介孔TiO_2微球，通過控制加入尿素的量來控制TiO_2微球的比表面積、孔徑、孔容和顆粒尺寸。當(dāng)尿素加入量為1.2g時(shí)，所合成的介孔TiO_2微球制備的光陽極具有最好的光電性能，其總光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.2%，明顯高于P25電極的光電轉(zhuǎn)換效率(4.24%)。將介孔TiO_2微球電極用不同濃度的TiCl_4溶液進(jìn)行后處理，結(jié)果表明：低濃度的TiCl_4溶液處理TiO_2電極能明顯提高其光電轉(zhuǎn)換效率，但隨著TiCl_4濃度的升高電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低。 (2)將TiO_2納米顆粒作為底層，介孔TiO_2微球作為反射層構(gòu)成具有雙層結(jié)構(gòu)的光陽極。由于這種新穎的雙層結(jié)構(gòu)光陽極具有強(qiáng)的染料吸附能力和光散射能力及良好的電子傳輸能力，在模擬太陽光照射下(100mW/cm2)，其組裝成的電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.78%，相比于單層納晶TiO_2光陽極、雙層納晶TiO_2光陽極和介孔TiO_2微球電極所組裝的電池，其光電轉(zhuǎn)換效率分別提高了50%、19%和25%。 (3)以Ti粉為鈦源，采用水熱法合成了由納米線構(gòu)成的花狀TiO_2微球。將其與TiO_2納米顆粒相結(jié)合制備了具有雙層結(jié)構(gòu)的光陽極。由于這種雙層結(jié)構(gòu)的光陽極具有強(qiáng)的染料吸附能力和良好的電子傳輸能力，在模擬太陽光的照射下(100mW/cm~2)，其組裝成的電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.75%，明顯高于納晶TiO_2光陽極(6.45%)和純的花狀TiO_2微球光陽極(3.89%)所組裝的電池。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 光陽極 介孔TiO_2微球花 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】：2012
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-28
• 1.1 前言10-11
• 1.2 DSSC結(jié)構(gòu)和工作原理11-13
• 1.2.1 DSSC基本結(jié)構(gòu)11
• 1.2.2 DSSC工作原理11-13
• 1.3 DSSC光陽極研究進(jìn)展13-19
• 1.3.1 具有核殼結(jié)構(gòu)光陽極13-14
• 1.3.2 具有垂直陣列結(jié)構(gòu)的光陽極14-15
• 1.3.3 具有混合納米結(jié)構(gòu)光陽極15-16
• 1.3.4 具有三維層次結(jié)構(gòu)的光陽極16-19
• 1.4 DSSC敏化劑研究進(jìn)展19-21
• 1.4.1 釕吡啶有機(jī)金屬配合物19
• 1.4.2 有機(jī)染料19-20
• 1.4.3 天然染料20-21
• 1.4.4 量子點(diǎn)21
• 1.5 DSSC電解質(zhì)研究進(jìn)展21-25
• 1.5.1 液態(tài)電解質(zhì)22-23
• 1.5.2 準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)23-24
• 1.5.3 固態(tài)電解質(zhì)24-25
• 1.6 本論文的研究內(nèi)容及意義25-28
• 第2章 介孔二氧化鈦微球的制備及在DSSC中的應(yīng)用28-42
• 2.1 引言28
• 2.2 實(shí)驗(yàn)28-30
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器28-29
• 2.2.2 介孔TiO2微球的制備29
• 2.2.3 DSSC光陽極的制備29
• 2.2.4 樣品表征29-30
• 2.2.5 DSSC組裝及光電性能測試30
• 2.3 結(jié)果與分析討論30-39
• 2.3.1 晶體結(jié)構(gòu)30-31
• 2.3.2 形貌分析31-33
• 2.3.3 BET比表面積和孔徑分布33-34
• 2.3.4 TiO_2光陽極染料吸附量34
• 2.3.5 TiO_2光陽極漫反射34-35
• 2.3.6 DSSC光電性能35-38
• 2.3.7 TiCl_4溶液后處理38-39
• 2.4 本章小結(jié)39-42
• 第3章 介孔TiO_2微球作為反射層在DSSC中的應(yīng)用42-52
• 3.1 引言42
• 3.2 實(shí)驗(yàn)42-44
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器42-43
• 3.2.2 介孔TiO_2及納晶TiO_2的制備43
• 3.2.3 DSSC光陽極的制備43-44
• 3.2.4 樣品表征44
• 3.2.5 DSSC的組裝及光電性能測試44
• 3.3 結(jié)果與分析44-51
• 3.3.1 物相分析44-45
• 3.3.2 形貌分析45-46
• 3.3.3 光陽極漫反射光譜分析46-47
• 3.3.4 光陽極染料吸附量分析47-48
• 3.3.5 DSSC光電性能48-49
• 3.3.6 電化學(xué)阻抗(EIS)分析49-50
• 3.3.7 IPCE分析50-51
• 3.4 本章小結(jié)51-52
• 第4章 花狀TiO_2的合成及在DSSC中的應(yīng)用52-64
• 4.1 引言52
• 4.2 實(shí)驗(yàn)52-54
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器52-53
• 4.2.2 花狀TiO_2的制備53
• 4.2.3 DSSC光陽極的制備53
• 4.2.4 樣品表征53-54
• 4.2.5 DSSC的組裝及光電性能測試54
• 4.3 結(jié)果與分析54-63
• 4.3.1 XRD分析54-55
• 4.3.2 形貌及微觀結(jié)構(gòu)分析55-57
• 4.3.3 BET分析57-58
• 4.3.4 光陽極漫反射光譜分析58-59
• 4.3.5 光陽極膜染料吸附量59-60
• 4.3.6 DSSC光電性能60-61
• 4.3.7 電化學(xué)阻抗(EIS)分析61-62
• 4.3.8 IPCE分析62-63
• 4.4 本章小結(jié)63-64
• 第5章 總結(jié)64-66
• 參考文獻(xiàn)66-76
• 致謝76-78
• 個(gè)人簡歷、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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