氧化鈦納米管陣列的染料敏化太陽能電池光電特性研究

【摘要】： TiO2作為一種無毒、穩(wěn)定、廉價的寬禁帶半導(dǎo)體是到目前為止制備染料敏化太陽電池(DSSC)光陽極性能最為優(yōu)良的材料之一。納米管陣列比納米粉體、納米膜具有更大的表面積、更高的表面能,有望提高DSSC光電轉(zhuǎn)換效率。 本文分別在HF電解液體系、NaF電解液體系下制得TiO2納米管陣列,并將其敏化制備成DSSC。用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能量色散譜儀(EDS)分別對TiO2薄膜的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)和元素組成進行了檢測,并對TiO2納米管陣列形成機理進行了研究。利用太陽能檢測儀對DSSC的光電性能進行了檢測,研究了煅燒溫度、陽極氧化時間、不同電解液體系和酸處理對DSSC光電性能的影響。 分析TiO2納米管陣列形成機理,納米管陣列形成包括以下過程：起初,鈦表面迅速形成致密的氧化膜,氧化膜的生成與溶解同時進行,前期生成速率快于溶解速率,電極/溶液界面的雙電層結(jié)構(gòu)(緊密層/分散層),使氧化膜表面生成小孔,相鄰的小孔集成越來越大的孔洞,繼而形成小管,小管進一步融入更大的管,孔徑達到最大后,納米管管長還會繼續(xù)增加,進入穩(wěn)定生長階段。最終形成結(jié)構(gòu)規(guī)整有序的高密度納米管陣列。 根據(jù)SEM圖的分析可知：在HF電解液體系、NaF電解液體系下均能制得TiO2納米管陣列,HF電解液體系下管長為450-550nm,管徑為45-65nm；NaF電解液體系下管長為2.5～3μm,管徑為30-45nm。隨著煅燒溫度的升高,500℃之前對納米管陣列形貌影響不大,超過500℃納米管陣列形貌逐漸被破壞。根據(jù)EDS、XRD圖的分析可知：灼燒后制得的氧化物是TiO2。經(jīng)過500℃灼燒處理后,無定形TiO2納米管陣列形成了的銳鈦礦晶型,經(jīng)過600℃灼燒處理后,TiO2納米管陣列形成了銳鈦礦和金紅石的混晶。 DSSC光電性能的主要影響因素有：納米管管長、納米管管徑、TiO2晶型。經(jīng)適當(dāng)濃度的酸處理能增強TiO2納米管陣列表面活性中心,提高染料的預(yù)吸附,因此提高DSSC光電轉(zhuǎn)換效率,在NaF電解液體系下,經(jīng)0.1mol/L的HCL溶液浸泡處理30min,DSSC光電轉(zhuǎn)換效率在本實驗中達到最大,為2.63%。 【關(guān)鍵詞】：TiO_2 納米管陣列 染料敏化太陽電池 光電轉(zhuǎn)換效率
【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;TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 緒論8-18
• 1.1 引言8-9
• 1.2 納米管TiO_2薄膜的制備方法9-11
• 1.2.1 模板法9-10
• 1.2.2 水熱法10
• 1.2.3 陽極氧化法10-11
• 1.3 DSSC的工作原理11-12
• 1.4 兩種納米管陣列DSSC結(jié)構(gòu)12-13
• 1.5 DSSC中的納米晶TiO_2電極13-16
• 1.5.1 TIO_2晶體結(jié)構(gòu)對DSSC的影響14
• 1.5.2 TIO_2薄膜厚度對DSSC的影響14-15
• 1.5.3 TIO_2表面形貌對DSSC的影響15-16
• 1.6 本論文主要研究內(nèi)容及意義16-18
• 1.6.1 主要研究內(nèi)容16
• 1.6.2 研究意義16-18
• 第二章 實驗部分18-24
• 2.1 納米管陣列TiO_2薄膜的制備18-19
• 2.1.1 陽極氧化法設(shè)備18
• 2.1.2 實驗原料18-19
• 2.1.3 實驗儀器及設(shè)備19
• 2.1.4 實驗方法19
• 2.2 染料敏化TiO_2電極和DSSC的制備19-20
• 2.2.1 TIO_2電極的敏化19-20
• 2.2.2 DSSC的制備20
• 2.2.3 樣品的制備流程20
• 2.3 TiO_2薄膜的表征20-21
• 2.3.1 SEM表面形貌20
• 2.3.2 EDS元素分析20-21
• 2.3.3 XRD衍射光譜分析21
• 2.4 染料敏化TiO_2電極光電性能的測定21-23
• 2.4.1 開路光電壓V_(OC)22
• 2.4.2 短路光電流密度J_(SC)22-23
• 2.4.3 填充因子FF23
• 2.4.4 光電轉(zhuǎn)換效率H23
• 2.5 本章小結(jié)23-24
• 第三章 TIO_2納米管陣列形成機理分析24-30
• 3.1 陽極氧化過程電流-時間曲線24
• 3.2 陽極氧化過程鈦箔的色彩變化24-25
• 3.3 不同陽極氧化時間氧化鈦SEM表征25-28
• 3.3.1 正面形貌表征25-26
• 3.3.2 側(cè)面形貌表征26-28
• 3.4 氧化鈦納米管陣列形成機理分析28-29
• 3.5 本章小結(jié)29-30
• 第四章 納米管陣列TIO_2薄膜表征30-35
• 4.1 SEM表征30-32
• 4.1.1 HF、NAF電解液體系對比30-31
• 4.1.2 煅燒溫度對表面形貌的影響31-32
• 4.2 EDS元素分析32-33
• 4.3 XRD表征33-34
• 4.4 本章小結(jié)34-35
• 第五章 基于TIO_2納米管陣列DSSC的光電性質(zhì)35-44
• 5.1 引言35
• 5.2 HF體系下不同煅燒溫度對DSSC光電特性的影響35-37
• 5.3 HF體系下陽極氧化時間對DSSC光電特性的影響37-39
• 5.4 陽極氧化電解液體系對DSSC光電特性的影響39-40
• 5.5 NaF體系下酸處理對DSSC光電特性的影響40-42
• 5.6 本章小結(jié)42-44
• 第六章 結(jié)論與展望44-46
• 6.1 結(jié)論44-45
• 6.2 今后工作的展望45-46
• 參考文獻46-51
• 致謝51-52
• 攻讀碩士期間所發(fā)表的論文52

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