雙層TiO_2復(fù)合膜染料敏化太陽能電池的制備與性能增強(qiáng)

【摘要】：自從1991年O'Regan和Gratzel將具有高比表面積的納米晶介孔TiO_2引入到染料敏化太陽能電池(DSSCs),并在一個(gè)太陽光照(AM1.5)條件下取得7.12%的光電轉(zhuǎn)換效率以來,由于制備工藝簡單、質(zhì)量輕、成本低以及公眾對能源供應(yīng)短缺關(guān)注等原因,DSSCs引起了人們的廣泛興趣。在過去的二十年間,人們在納米顆粒DSSCs的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料合成、光電性能表征和機(jī)理分析等方面進(jìn)行了廣泛的研究。就膜電極而言,DSSCs的光電轉(zhuǎn)換性能取決于膜電極的構(gòu)型和TiO_2納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。特別是,具有特殊結(jié)構(gòu)的空心球(HS)能夠通過增加光程長度來增強(qiáng)光的吸收,促進(jìn)電解質(zhì)的擴(kuò)散,從而在DSSCs中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。此外,由于在促進(jìn)電子快速傳輸,增強(qiáng)光散射和大的比表面積等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,TiO_2納米管在DSSCs中也具有重要意義。在本論文中,圍繞納米顆粒和空心球雙層結(jié)構(gòu)膜電極的制備,管狀Ti02結(jié)構(gòu)的合成及其在DSSCs中的應(yīng)用等方面開展了如下工作： 我們制備了由TiO_2.納米顆粒和空心球構(gòu)成的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)DSSCs,并研究了納米顆粒／納米顆粒(PP),空心球／空心球(HH),空心球／納米顆粒(HP)和納米顆粒／空心球(PH)四組雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)DSSCs的光電轉(zhuǎn)換性能,其光電轉(zhuǎn)換效率分別為4.33,4.72,4.93和5.28%。納米顆粒／空心球雙層復(fù)合膜太陽能電池增強(qiáng)的光電性能可以歸結(jié)為以下因素的共同作用。上層空心球膜層的光散射能力增強(qiáng)了DSSCs中光的捕獲,同時(shí)下層Ti02納米顆粒膜層確保膜電極與摻氟的氧化錫(FTO)玻璃基體具有良好的電接觸。此外,Ti02空心球較大的比表面積有助于染料分子的擴(kuò)散,較大的孔體積有助于電解質(zhì)的傳輸。 我們以鈦乙二醇棒作為自模板和前軀體在堿性條件下(0.1M NaOH)通過水熱方法成功制備了新型分等級鈦酸鹽管狀結(jié)構(gòu)。該管狀結(jié)構(gòu)由納米管和納米片組裝而成。合成的產(chǎn)物顯示出分等級結(jié)構(gòu)特征,具備兩種類型的管狀結(jié)構(gòu)。一種為沿著模板方向形成的大的管狀結(jié)構(gòu),另一種為大的管狀結(jié)構(gòu)的外壁上生長的納米管結(jié)構(gòu)。大的管狀結(jié)構(gòu)的形成是源于化學(xué)誘導(dǎo)自轉(zhuǎn)變機(jī)理或柯肯達(dá)爾效應(yīng),而小的納米管的形成是源于鈦酸鹽納米片的卷曲所致。鈦酸鹽納米片的卷曲受到納米片的表面張力和H202催化兩者共同作用所致。由分等級管狀Ti02(HTT)上層和納米顆粒(NP)下層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)DSSCs顯示出增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率,其效率為6.2%,同時(shí)短路電流Isc為14.1 mAcm-2,開路電壓Voc為736mV,填充因子ff為0.6。這種合成管狀結(jié)構(gòu)的方法在制備其它新型大孔／介孔管狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物方面具備潛在的應(yīng)用。這些新型鈦酸鹽或Ti02管狀結(jié)構(gòu)在光催化、催化劑、電化學(xué)、吸附劑和生物科技等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 雙層結(jié)構(gòu) 分等級管狀結(jié)構(gòu) 水熱法 空心球
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-24
• 1.1 前沿10-11
• 1.2 染料敏化太陽能電池的工作原理和性能參數(shù)11-15
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的構(gòu)成和工作原理11-13
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池的性能參數(shù)13-15
• 1.3 染料敏化太陽能電池研究進(jìn)展15-22
• 1.3.1 染料研究進(jìn)展16-17
• 1.3.2 電解質(zhì)研究進(jìn)展17-18
• 1.3.3 對電極研究進(jìn)展18-19
• 1.3.4 膜電極研究進(jìn)展19-22
• 1.4 選題的目的與意義22-24
• 第2章 雙層TiO_2復(fù)合膜染料敏化太陽能電池的制備與性能增強(qiáng)24-37
• 2.1 前言24-26
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分26-29
• 2.2.1 TiO_2空心球的制備26
• 2.2.2 DSSCs雙層膜電極的制備26-28
• 2.2.3 樣品的表征和電池性能測量28-29
• 2.3 結(jié)果與討論29-35
• 2.3.1 TiO_2空心球的形貌和相結(jié)構(gòu)29-30
• 2.3.2 BET比表面與孔分布30-32
• 2.3.3 DSSCs雙層膜電極的漫反射光譜32-34
• 2.3.4 雙層膜結(jié)構(gòu)DSSCs的光電性能34-35
• 2.4 本章小結(jié)35-37
• 第3章 分等級鈦酸鹽管狀結(jié)構(gòu)的制備和光電性能37-48
• 3.1 前言37-38
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分38-40
• 3.2.1 管狀結(jié)構(gòu)的制備38-39
• 3.2.2 DSSCs電池的制備39
• 3.2.3 樣品的表征和電池性能測量39-40
• 3.3 結(jié)果與討論40-47
• 3.3.1 產(chǎn)物的微觀形貌40-41
• 3.3.2 XRD和晶相結(jié)構(gòu)41-43
• 3.3.3 BET比表面積和孔徑分布43-44
• 3.3.4 管狀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理44-46
• 3.3.5 DSSCs的性能46-47
• 3.4 本章小結(jié)47-48
• 第四章 結(jié)論48-49
• 致謝49-50
• 參考文獻(xiàn)50-62
• 附錄:碩士期間已發(fā)表和待發(fā)表的研究論文62

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