聚噻吩衍生物—无机物纳米复合材料的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：主链含有共轭大π键的导电聚合物材料由于在现代光电子、微电子领域中广泛应用而倍受学术界和产业界重视。聚噻吩衍生物与无机物形成有机无机杂化复合材料,由于无机物的引入改善其原有性能,更重要的是由于纳米效应以及聚噻吩与无机物之间的协同作用,使得复合材料具有优于单一组分的性能甚至展示出新的功能性。染料敏化太阳能电池成为当今太阳能电池研究的热点。本论文成功合成了几种聚噻吩衍生物-无机物纳米复合材料,测试了复合物的结构并表征了其光电性能,开创性的将其应用于染料敏化太阳能电池,讨论了染料能级和改性二氧化钛光阳极能级匹配的关系。主要工作如下： 1、溶胶凝胶法结合超临界流体干燥法制备了纳米二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化铁(Fe203),沉淀法制备了硫化镉(CdS)； 2、化学氧化法结合真空干燥法合成聚3-辛基噻吩(P3OT)、聚3-癸基噻吩(P3DT)、聚3-十二烷基噻吩(P3DDT)和聚3-甲氧基噻吩(PMOT); 3、超声复合法制得了聚3-辛基噻吩/二氧化钛(P3OT/TiO2)和聚3-十二烷基噻吩/二氧化钛(P3DDT/TiO2)纳米复合材料；原位聚合法制得了聚3-辛基噻吩/二氧化钛(P3OT/TiO2)、聚3-辛基噻吩/氧化锌(P3OT/ZnO)、聚3-辛基噻吩/氧化铁(P30T/FeZO3)、聚3-辛基噻吩/硫化镉(P3OT/CdS)、聚3-辛基噻吩/二氧化钛纳米管(P3OT/TiO2NTs)、聚3-癸基噻吩/二氧化钛(P3DT/TiO2)、聚3-甲氧基噻吩/二氧化钛(PMOT/TiO2)和聚3-辛基噻吩/氧化铁/二氧化钛(P3OT/Fe2O3/TiO2)三元复合物。部分复合物作为染料应用于染料敏化太阳能电池,比单组份的聚合物敏化的太阳能电池效率明显提高； 4、采用非金属元素(N、S)对纳晶Ti02阳极进行改性,Ti02阳极本身的吸光范围发生红移,达到可见光区域。使用N719和P3DT两种染料敏化后的薄膜的吸光区域覆盖整个可见光区域,采用共吸附法敏化制备的太阳能电池效率比单种染料敏化制备的太阳能电池效率明显提高； 5、以光化学法将贵金属Ag和Pt以单质的形式沉积到二氧化钛光阳极表面以得到改性的纳米半导体光阳极。表面Ag和Pt可以更好更快的传导光激发染料产生的载流子,提高半导体光阳极传输光生电子的效率,最终实现太阳能电池光电转化效率的提高。 【关键词】：无机有机复合材料 染料敏化太阳能电池 共敏化 光阳极掺杂改性 贵金属沉积 光电转化效率
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O633.5;TB33
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-21
• 第一章 绪论21-33
• 1.1 导电聚合物21-22
• 1.2 聚噻吩的研究现状22
• 1.2.1 无取代基聚噻吩的制备22
• 1.2.2 烷基取代聚噻吩的制备22
• 1.3 循环伏安法测定半导体能隙22-23
• 1.4 无机/有机纳米复合材料研究现状23-24
• 1.5 太阳能电池的分类和研究的意义24-25
• 1.6 太阳能电池的基本概念和发展史25-27
• 1.6.1 大气质量数的定义25-26
• 1.6.2 太阳能电池的发展史26-27
• 1.7 染料敏化太阳能电池的研究27-32
• 1.7.1 染料敏化太阳能电池的工作原理27-28
• 1.7.2 纳米TiO_2光阳极薄膜的研究28-29
• 1.7.3 敏化剂29-30
• 1.7.4 电解质研究进展30-32
• 1.8 选题的目的和意义32-33
• 第二章 聚3-辛基噻吩/二氧化钛纳米复合材料的制备和性能的研究33-47
• 2.1 前言33
• 2.2 实验部分33-35
• 2.2.1 实验试剂与仪器33-34
• 2.2.2 纳米TiO_2粉体的制备34
• 2.2.3 聚3-辛基噻吩的合成34
• 2.2.4 聚3-辛基噻吩/二氧化钛纳米复合材料的超声法制备34-35
• 2.2.5 聚3-辛基噻吩/二氧化钛纳米复合材料的原位法制备35
• 2.2.6 材料的表征35
• 2.2.7 循环伏安曲线测试条件35
• 2.3 结果和讨论35-46
• 2.3.1 TiO_2的XRD表征35-36
• 2.3.2 TiO_2的TEM表征36
• 2.3.3 超声法制备聚3-辛基噻吩/纳米二氧化钛复合材料36-41
• 2.3.4 原位法制备聚3-辛基噻吩/纳米二氧化钛复合材料41-46
• 2.4 小结46-47
• 第三章 聚3-辛基噻吩/二氧化钛纳米复合材料中相互作用的研究47-57
• 3.1 前言47
• 3.2 实验部分47-48
• 3.2.1 实验试剂与仪器47-48
• 3.2.2 超临界干燥法制备纳米TiO_2粉体48
• 3.2.3 聚3-辛基噻吩的合成48
• 3.2.4 聚3-辛基噻吩/二氧化钛纳米复合材料的超声法制备48
• 3.2.5 聚3-辛基噻吩/二氧化钛纳米复合材料的原位法制备48
• 3.2.6 材料的表征48
• 3.3 结果和讨论48-56
• 3.3.1 聚3-辛基噻吩/纳米二氧化钛复合材料的的XRD测试结果48-49
• 3.3.2 聚3-辛基噻吩/纳米二氧化钛复合材料的的XPS测试结果49-54
• 3.3.3 聚3-辛基噻吩/纳米二氧化钛复合材料的的红外光谱测试结果54-55
• 3.3.4 聚3-辛基噻吩/纳米二氧化钛复合材料的的紫外光谱测试结果55-56
• 3.4 小结56-57
• 第四章 聚噻吩衍生物-TiO_2纳米复合材料在染料敏化太阳能电池中的应用57-86
• 4.1 前言57
• 4.2 实验部分57-61
• 1.2.1 实验试剂与仪器57-58
• 4.2.2 纳米TiO_2粉体的制备58
• 4.2.3 聚3-癸基噻吩、聚3-甲氧基咪吩和聚3-十二烷基噻吩的合成58
• 4.2.4 原位法合成聚3-癸基噻吩/二氧化钛和聚3-甲氧基噻吩/二氧化钛纳米复合材料58
• 4.2.5 超声法合成聚3-十二烷基噻吩/二氧化钛纳米复合材料58-59
• 4.2.6 聚噻吩/二二氧化钛纳米复合薄膜的制备59
• 4.2.7 染料敏化太阳能电池的制备59-60
• 4.2.8 材料的表征60-61
• 4.2.9 太阳能电池性能表征61
• 4.3 结果和讨论61-86
• 4.3.1 聚3-癸基噻吩/纳米二氧化钛复合材料61-70
• 4.3.2 聚3-甲氧基噻吩/纳米二氧化钛复合材料70-78
• 4.3.3 聚3-十二烷基噻吩/纳米二氧化钛复合材料78-86
• 第五章 聚3-辛基噻吩-半导体无机物纳米复合材料在染料敏化太阳能电池中的应用86-116
• 5.1 前言86
• 5.2 实验部分86-90
• 5.2.1 实验试剂与仪器86-87
• 5.2.2 纳米ZnO粉体的制备87
• 5.2.3 纳米Fe_2O_3粉体的制备87-88
• 5.2.4 纳米CdS粉体的制备88
• 5.2.5 聚3-辛基噻吩的合成88
• 5.2.6 聚3-辛基噻吩/氧化锌和聚3-辛基噻吩/氧化铁纳米复合材料的合成88
• 5.2.7 聚3-辛基噻吩/硫化镉纳米复合材料的合成88-89
• 5.2.8 材料的表征89
• 5.2.9 循环伏安曲线测试条件89
• 5.2.10 太阳能电池性能表征89-90
• 5.3 结果和讨论90-116
• 5.3.1 POT/ZnO纳米复合材料90-98
• 5.3.2 POT/Fe_2O_3纳米复合材料98-106
• 5.3.3 POT/CdS纳米复合材料106-116
• 第六章 聚3-辛基噻吩-Fe2O_3-TiO_2三元纳米复合材料在染料敏化太阳能电池中的应用116-129
• 6.1 前言116
• 6.2 实验部分116-119
• 6.2.1 实验试剂与仪器116-117
• 6.2.2 纳米TiO_2粉体的制备117
• 6.2.3 纳米Fe_2O_3粉体的制备117
• 6.2.4 聚3-辛基噻吩的合成117
• 6.2.5 聚3-辛基噻吩/二氧化钛/氧化铁纳米复合材料的合成117
• 6.2.6 染料敏化太阳能电池的制备117-118
• 6.2.7 材料的表征118
• 6.2.8 循环伏安曲线测试条件118
• 6.2.9 太阳能电池性能表征118-119
• 6.3 结果和讨论119-128
• 6.3.1 POT/TiO_2/Fe2O_3纳米复合材料的XRD测试结果119
• 6.3.2 POT/TiO_2/Fe2O_3纳米复合材料的XPS测试结果119-123
• 6.3.3 POT/TiO_/Fe2O_3纳米复合材料的红外光谱测试结果123-124
• 6.3.4 POT/TiO_2/Fe2O_3纳米复合材料的紫外可见测试结果124
• 6.3.5 POT/TiO_2/Fe2O_3纳米复合材料的荧光测试结果124-125
• 6.3.6 POT/TiO_2/Fe_2O_3纳米复合材料的循环伏安测试结果125-127
• 6.3.7 POT/TiO_2/Fe_2O_3纳米复合材料敏化太阳能电池测试结果127-128
• 6.4 小结128-129
• 第七章 聚3-辛基噻吩-TiO_2NTs纳米复合材料在染料敏化太阳能电池中的应用129-146
• 7.1 前言129
• 7.2 实验部分129-132
• 7.2.1 实验试剂与仪器129-130
• 7.2.2 二氧化钛纳米管的制备130
• 7.2.3 聚3-辛基噻吩的合成130
• 7.2.4 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料的合成130-131
• 7.2.5 P3OT/TiO_2NTs敏化太阳能电池的制备131
• 7.2.6 材料的表征131
• 7.2.7 循环伏安曲线测试条件131-132
• 7.2.8 太阳能电池性能表征132
• 7.3 结果和讨论132-144
• 7.3.1 TiO_2NTs的TEM和SEM测试结果132
• 7.3.2 TiO_2NTs的XRD测试结果132-133
• 7.3.3 TiO_2NTs的红外光谱测试结果133-134
• 7.3.4 TiO_2NTs的XPS测试结果134-136
• 7.3.5 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料的SEM测试结果136-137
• 7.3.6 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料的XRD测试结果137
• 7.3.7 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料的XPS测试结果137-140
• 7.3.8 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料的红外光谱测试结果140
• 7.3.9 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料的紫外可见光谱测试结果140-141
• 7.3.10 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料的荧光光谱测试结果141-142
• 7.3.11 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料的循环伏安测试结果142-143
• 7.3.12 P3OT/TiO_2NTs纳米复合材料染料敏化太阳能电池测试结果143-144
• 7.4 小结144-146
• 第八章 非金属掺杂TiO_2光阳极和染料共敏化太阳能电池的研究146-158
• 8.1 前言146
• 8.2 实验部分146-149
• 8.2.1 实验试剂与仪器146-147
• 8.2.2 纳米TiO_2粉体和薄膜的制备147
• 8.2.3 N/TiO_2纳米粉体和薄膜的制备147-148
• 8.2.4 N、S/TiO_2纳米粉体和薄膜的制备148
• 8.2.5 聚3-癸基噻吩(P3DT)的合成148
• 8.2.6 染料敏化太阳能电池的制备148
• 8.2.7 材料的表征148-149
• 8.2.8 循环伏安曲线测试条件149
• 8.2.9 太阳能电池性能表征149
• 8.3 结果和讨论149-157
• 8.3.1 XRD分析149-151
• 8.3.2 TEM分析151
• 8.3.3 XPS分析151-153
• 8.3.4 CV153-154
• 8.3.5 UV-VIS分析154-156
• 8.3.6 I-V测试156-157
• 8.4 小结157-158
• 第九章 贵金属沉积TiO_2光阳极和染料共敏化太阳能电池的研究158-168
• 9.1 前言158
• 9.2 实验部分158-160
• 9.2.1 实验试剂与仪器158-159
• 9.2.2 纳米N-TiO_2粉体的制备159
• 9.2.3 聚3-辛基噻吩(P3OT)的制备159
• 9.2.4 组合技术制备TiO_2光阳极薄膜159
• 9.2.5 在TiO_2光阳极薄膜表面光沉积Ag和Pt159-160
• 9.2.6 对电极的制备160
• 9.2.7 染料敏化太阳能电池的组装160
• 9.2.8 材料的表征160
• 9.2.9 太阳能电池性能表征160
• 9.3 结果和讨论160-166
• 9.3.1 XRD160-161
• 9.3.2 XPS161-164
• 9.3.3 IV和EIS164-166
• 9.4 小结166-168
• 第十章 N/TiO_2纳米带阳极和染料共敏化太阳能电池的研究168-179
• 10.1 前言168
• 10.2 实验部分168-171
• 10.2.1 实验试剂与仪器168-169
• 10.2.2 N/TiO_2纳米带的制备169
• 10.2.3 聚3-辛基噻吩的合成169
• 10.2.4 染料敏化太阳能电池的制备169-170
• 10.2.5 材料的表征170
• 10.2.6 循环伏安曲线测试条什170
• 10.2.7 太阳能电池性能表征170-171
• 10.3 结果和讨论171-178
• 10.3.1 TEM分析171
• 10.3.2 XPS分析171-173
• 10.3.3 UV-vis分析173-175
• 10.3.4 CV分析175-176
• 10.3.5 IV和EIS176-178
• 10.4 小结178-179
• 第十一章 结论179-180
• 参考文献180-188
• 致谢188-189
• 研究成果及发表的学术论文189-191
• 发表及已接受的论文189-190
• 成果及专利190-191
• 作者和导师简介191-192
• 附件192-193

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