TiO_2基復合納米材料的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應用

【摘要】：社會經(jīng)濟的發(fā)展對能源的需求日益增加，而目前使用的化石能源是不可再生能源，同時會產(chǎn)生空氣污染。為了應對能源危機和大氣污染，世界各國都在尋找可替代化石能源的新能源。太陽能是清潔、無污染的能源，且取之不盡，因此，太陽能作為替代能源是解決能源危機和保護環(huán)境的最佳途徑之一。染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solarcells, DSC）是一種新型太陽能電池，它具有結構簡單、成本低廉、易于制造等優(yōu)點。從它誕生之日起就引起了人們的廣泛關注。 TiO_2因其具有化學性質穩(wěn)定、無毒、成本低等特點被廣泛應用于太陽能電池中。但TiO_2的能帶隙較寬（銳鈦礦相：3.2eV；金紅石相：3.0eV），光譜響應范圍窄，對太陽能的利用率只有3%-5%；此外，因TiO_2的光生電子和空穴復合很快，其量子效率較低。為了提高太陽能電池的光電轉換率，人們采用各種TiO_2納米結構代替納米顆粒、金屬或非金屬摻雜、與其它半導體復合等方法對TiO_2電極進行修飾。TiO_2與半導體復合是一種重要且有效的方法,將具有不同能級的半導體復合，提高光生載流子的分離效率；與窄帶隙半導體復合又使其吸收波長紅移，可吸收利用可見光。 目前報道的TiO_2與二元氧化物的復合材料應用于太陽能電池和光催化研究中，而TiO_2與三元氧化物的復合材料的研究主要集中在光催化領域，在太陽能電池中的研究報道很少。 SrTiO_3具有典型的鈣鈦礦結構，與銳鈦礦TiO_2的結構很相似，具有與TiO_2一樣的帶隙，并且其平帶電勢比TiO_2的高約0.2V,以SrTiO_3為電極材料的染料太陽能電池的開路電壓Voc比TiO_2的高，因此，SrTiO_3作為染料敏化電池電極被廣泛研究。銻摻雜氧化錫（ATO）是一種新型多功能光電材料，具有良好的導電性、透明性和穩(wěn)定性，它被廣泛應用于光催化和太陽能電池中。 本論文將SrTiO_3、ATO分別與TiO_2(Degussa P25)制成復合材料，利用表面光電壓譜技術測試復合材料的光伏性能，并將光伏性能優(yōu)良的復合材料制成染料敏化太陽能電池，探索TiO_2基復合材料在太陽能電池中的應用。 本論文包括以下幾部分內容： 1.將SrTiO_3與TiO_2制成復合材料，結果顯示，SrTiO_3/TiO_2復合材料與單一TiO_2相比，表面光電壓的強度顯著增強。能帶結構分析表明SrTiO_3與TiO_2的能級相匹配，光致熒光顯示復合材料的表面缺陷態(tài)與單一TiO_2相比減少了，從而提高了光生電荷的分離效率和降低了光生電荷的復合幾率。 2.將ATO與TiO_2制成復合材料，ATO/TiO_2復合材料表現(xiàn)出類似于SrTiO_3/TiO_2的光伏增強效應，在能帶結構和光致熒光分析的基礎上，闡明了ATO/TiO_2的光伏增強效應的機理。 3．制成的太陽能電池在效率上不如單純的TiO_2作為電極的電池，我們考慮到可能是由于復合材料改變了TiO_2電極多孔的結構，減小了比表面積并因此影響到染料的吸附，從而導致短路電流大幅度降低引起的。 【關鍵詞】：染料敏化太陽能電池 表面光電壓 P25 SrTiO_3 ATO
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-28
• 1.1 前言12
• 1.2 太陽能電池的分類和比較12-15
• 1.2.1 硅太陽能電池12-13
• 1.2.2 多元化合物薄膜太陽能電池13-14
• 1.2.3 有機太陽能電池14
• 1.2.4 染料敏化納米晶太陽能電池14-15
• 1.3 染料敏化太陽能電池的基本知識15-18
• 1.3.1 染料敏化太陽能電池的結構15-16
• 1.3.2 染料敏化太陽能電池的工作原理16-17
• 1.3.3 染料敏化太陽能電池性能參數(shù)17-18
• 1.4 染料敏化太陽電池的研究方向18-19
• 1.5 二氧化鈦陽極的制備方法19
• 1.6 氧化鈦與半導體復合電極19-21
• 1.6.1 氧化鈦與半導體復合的意義19
• 1.6.2 氧化鈦與半導體復合的方法19-21
• 1.7 二氧化鈦和鈦酸鍶的介紹21-24
• 1.7.1 二氧化鈦21-23
• 1.7.2 鈦酸鍶23
• 1.7.3 氧化錫銻23-24
• 1.8 本文的研究意義和研究內容24-25
• 參考文獻25-28
• 第二章 復合材料的制備和表征28-36
• 2.1 引言28
• 2.2 復合材料的制備28-30
• 2.2.1 主要儀器28-29
• 2.2.2 制備方法29-30
• 2.3 復合材料的表征30-34
• 2.3.1 表面光電壓譜儀30-31
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡31-32
• 2.3.3 X 射線衍射儀32
• 2.3.4 顯微共焦激光拉曼光譜儀32
• 2.3.5 紫外可見分光光度計32-33
• 2.3.6 穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀33-34
• 2.4 太陽能電池性能的表征34
• 2.4.1 二電極體系34
• 2.4.2 三電極體系34
• 2.5 本章小結34-35
• 參考文獻35-36
• 第三章 P25/SrTiO_3復合納米材料光電性質研究36-48
• 3.1 前言36
• 3.2 實驗部分36
• 3.2.1 實驗材料和儀器36
• 3.2.2 制備方法36
• 3.3 結果與討論36-45
• 3.3.1 表面光電壓36-38
• 3.2.2 形貌分析38-40
• 3.3.3 XRD 圖譜和分析40-42
• 3.3.4 拉曼圖譜和分析42-43
• 3.3.5 吸收圖譜分析43-44
• 3.3.6 光致發(fā)光光譜（PL）及分析44
• 3.3.7 復合體系的能帶結構分析44-45
• 3.4 本章小結45-46
• 參考文獻46-48
• 第四章 P25/ATO 復合納米材料光電性質研究48-56
• 4.1 前言48
• 4.2 實驗部分48-49
• 4.2.1 試劑和材料48
• 4.2.2 實驗方法48-49
• 4.3 結果和討論49-53
• 4.3.1 表面光電壓49-52
• 4.3.2 XRD 圖譜52
• 4.3.3 紫外可見吸收譜52-53
• 4.4 本章小結53-54
• 參考文獻54-56
• 第五章 染料敏化太陽能電池的制備和表征56-68
• 5.1 引言56-57
• 5.2 實驗和方法57-60
• 5.2.1 試劑和材料57-58
• 5.2.2 實驗步驟及方法58-60
• 5.3 結果和討論60-63
• 5.3.1 P25 作為陽極材料的太陽電池性能60-61
• 5.3.3 P25/SrTiO_3作為陽極材料的太陽能電池性能61-62
• 5.3.4 P25/ATO 作為陽極材料的太陽能電池性能62-63
• 5.4 結論63-64
• 5.5 展望64-66
• 參考文獻66-68
• 碩士期間發(fā)表的論文68-70
• 致謝70-71

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