染料敏化太陽能電池光陽極的制備及其光—電化學(xué)性能的研究

【摘要】： 納米TiO2具有特殊結(jié)構(gòu)、性能和半導(dǎo)體光催化活性,具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的理論研究價值,是染料敏化太陽能電池(DSC)的光陽極的首選材料。目前,大部分方法得到的DSC光陽極TiO2納米薄膜是無序結(jié)構(gòu)納米粒子,但納米TiO2顆粒較小,不能很好地提供內(nèi)置電場,不利于電子空穴對的分離和電子的傳輸,導(dǎo)致染料敏化太陽電池效率的降低,這嚴(yán)重阻礙了TiO2光催化材料的應(yīng)用。近年來,很多研究發(fā)現(xiàn)TiO2納米管結(jié)構(gòu)能夠縮短電子傳輸路程并使電子的傳輸通道更通暢,降低電子空穴對的復(fù)合以提高DSC的光電轉(zhuǎn)換效率。 本工作采用電化學(xué)陽極氧化技術(shù),在鈦金屬基體表面制備一層具有特殊納米結(jié)構(gòu)的TiO2納米管陣列膜。利用SEM、XRD、Raman、差熱分析譜、EIS和光照開路電位圖譜等表征方法系統(tǒng)地研究了電解液組成和電化學(xué)陽極電壓等制備參數(shù)對納米管膜層表面形貌和組成成分的影響,探討了熱處理?xiàng)l件對TiO2納米管陣列膜的影響,為實(shí)現(xiàn)TiO2納米管薄膜的可控制備提供了重要依據(jù)。另外,采用Sol-Gel法制備了TiO2納米晶薄膜,利用相圖分析法得到了獲得性能良好溶膠的最佳試劑配比和最優(yōu)配制工藝。對比了兩種方法制備的TiO2納米薄膜組裝成的DSC光電轉(zhuǎn)換性能。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下： (1)研究了陽極氧化過程中不同陽極氧化電解液和電壓對TiO2納米管陣列薄膜表面形貌的影響。結(jié)果表明：不同電解液中得到的納米管形貌各不相同,相比水電解液,有機(jī)電解液下得到的TiO2納米管陣列排列更為規(guī)整,管壁更為光滑。電場強(qiáng)度對TiO2納米管的的形成起著雙重作用,并得到了一定范圍內(nèi)的陽極氧化電壓與TiO2納米管管徑的定量關(guān)系式。 (2)研究了陽極氧化過程中不同時間段的TiO2納米管陣列照片,分析了TiO2納米管陣列的形成機(jī)理。結(jié)論顯示：TiO2納米管陣列形成分為三個階段：阻擋層形成階段,電流急劇下降；納米管形成階段,電流有所回升；納米管穩(wěn)定生長階段,電流基本保持不變。 (3)研究了熱處理溫度和氣氛對TiO2納米管薄膜晶型結(jié)構(gòu)和形貌的影響。結(jié)果表明：隨著溫度的升高,TiO2納米管的晶型從無定形態(tài)轉(zhuǎn)變到銳鈦礦型再到金紅石型；納米管結(jié)構(gòu)也隨溫度的升高逐漸坍塌,最后轉(zhuǎn)變成松散顆粒狀。 (4)研究了Sol-Gel法制備納米晶TiO2薄膜的制備工藝,結(jié)果表明：Sol-Gel法制備納米晶TiO2薄膜的最佳試劑配比為：Ti(OC4H9)4的摩爾濃度在0.2-0.8mol/L之間；鰲合劑與酞酸丁酯摩爾比在3-5之間；水與酞酸丁酯摩爾比在3-4之間。酸性前驅(qū)液條件下,pH為3-4；堿性前驅(qū)液條件下pH為9-10,水解最佳溫度為40-50℃。 (5)研究了兩種不同制備方法得到的TiO2納米薄膜的光-電化學(xué)性能,結(jié)果表明：陽極氧化法制得的TiO2納米管薄膜組裝的DSC入射光損耗較大,膜層較薄,不利于DSC光電轉(zhuǎn)換效率的提高。 【關(guān)鍵詞】：TiO_2納米管陣列 陽極氧化 制備 溶膠-凝膠法 DSC
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目錄7-9
• 第一章 緒論9-24
• 1.1 納米TiO_2的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)9-13
• 1.1.1 納米TiO_2的特性9-10
• 1.1.2 物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)10-11
• 1.1.3 TiO_2的晶體結(jié)構(gòu)11-13
• 1.2 納米TiO_2薄膜的制備方法13-16
• 1.2.1 化學(xué)方法13-16
• 1.2.2 物理沉積法16
• 1.3 納米TiO_2的應(yīng)用16-19
• 1.3.1 在防霧和自清潔方面的應(yīng)用17
• 1.3.2 傳感器的材料17-18
• 1.3.3 太陽能電池原料18
• 1.3.4 在涂料改性方面的應(yīng)用18
• 1.3.5 在抗菌消毒方面的應(yīng)用18-19
• 1.3.6 在環(huán)境保護(hù)衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用19
• 1.4 染料敏化太陽能電池(DSC)概況19-22
• 1.4.1 背景19-20
• 1.4.2 DSC特點(diǎn)20-21
• 1.4.3 DSC應(yīng)用與發(fā)展前景21-22
• 1.5 課題的研究意義和主要內(nèi)容22-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料及研究方法24-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑、材料與設(shè)備24
• 2.1.1 電解液試劑24
• 2.1.2 陽極與組裝電池材料24
• 2.1.3 電解與熱處理設(shè)備24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方案24-27
• 2.2.1 制備工藝裝置24-25
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方案25-27
• 2.3 性能測試研究方法27-29
• 2.3.1 TiO_2膜層表面形貌和厚度27
• 2.3.2 TiO_2晶型27
• 2.3.3 I-t曲線27
• 2.3.4 電化學(xué)性能27
• 2.3.5 光電轉(zhuǎn)換效率27-29
• 第三章 TiO_2納米管陣列制備與影響因素29-45
• 3.1 引言29-30
• 3.2 陽極氧化條件對TiO_2納米管的影響30-36
• 3.2.1 陽極氧化電解液30-33
• 3.2.2 陽極氧化電壓33-36
• 3.3 TiO_2納米管陣列生長機(jī)理36-38
• 3.4 TiO_2納米管陣列薄膜的熱處理38-43
• 3.4.1 熱處理后TiO_2納米管晶型的變化38-40
• 3.4.2 熱處理溫度對TiO_2納米管的影響40-43
• 3.4.3 熱處理氣氛對TiO_2納米管的影響43
• 3.5 小結(jié)43-45
• 第四章 TiO_2納米晶薄膜的制備及表征45-58
• 4.1 引言45
• 4.2 實(shí)驗(yàn)原理45-46
• 4.3 實(shí)驗(yàn)試劑的選配46-48
• 4.3.1 Sol-Gel法實(shí)驗(yàn)試劑配比依據(jù)46-47
• 4.3.2 試劑的確定47-48
• 4.3.3 Sol-Gel法試劑配比方案48
• 4.4 Sol-Gel法制備TiO_2納米晶薄膜步驟48-52
• 4.4.1 TiO_2溶膠配置48-50
• 4.4.2 鍍膜50-51
• 4.4.3 熱處理51-52
• 4.5 檢測及分析52-56
• 4.5.1 TiO_2薄膜形貌52-55
• 4.5.2 物相55-56
• 4.6 小結(jié)56-58
• 第五章 納米TiO_2薄膜的光-電化學(xué)性能檢測58-67
• 5.1 引言58
• 5.2 TiO_2的光-電化學(xué)性能58-62
• 5.2.1 EIS分析58-61
• 5.2.2 ocp分析61-62
• 5.3 DSC檢測62-64
• 5.3.1 結(jié)構(gòu)和工作原理62-63
• 5.3.2 性能參數(shù)63-64
• 5.4 DSC的伏安曲線分析64-66
• 5.5 小結(jié)66-67
• 第六章 結(jié)論與展望67-69
• 參考文獻(xiàn)69-75
• 致謝75-76
• 碩士學(xué)習(xí)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文76

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