改性纳米TiO_2的制备及其在染料敏化太阳能电池中的性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)成本低廉、对环境无污染、制备工艺简单,被认为是最具有应用前景的新型光伏电池。二氧化钛具有无毒、价格低廉、化学性能稳定等特性,已被广泛应用于染料敏化太阳能电池、光催化、水分解、传感器以及锂离子电池等众多领域。TiO2光阳极作为染料敏化太阳能电池的主要组成部分,应该具备以下条件:较高的比表面积、较快的电子传输速率、有效地抑制光生载流子的复合等。因此,需要对纳米TiO2进行改性,使其能获得更高的光电转换效率。本文主要通过纳米TiO2与石墨烯复合、刻蚀法合成TiO2纳米管阵列以及氮掺杂纳米TiO2来提高染料敏化太阳能电池的光电性能。主要工作如下:(1)使用硫酸氧钛(TiOSO4)作为钛源,石墨烯作为支撑体,通过回流法合成锐钛矿相二氧化钛-石墨烯(TiO2-G)复合材料。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)以及热重分析(TGA)对TiO2-G的晶体结构、形貌和组成进行表征。TiO2-G纳米复合物中的TiO2和空白TiO2颗粒都呈纺锤状结构且长轴沿着[001]方向生长,复合物中的纳米TiO2均匀地平铺在石墨烯层表面。以TiO2-G为光阳极组装成染料敏化太阳能电池,电池的光电转换效率(2.30%)明显高于空白TiO2电池(0.89%)。此外,对TiO2-G进行煅烧处理也可以提高其光电性能,当煅烧温度从450 oC增加到600 oC时,电池的转化效率从1.50%升高到2.60%。以上结果说明TiO2-G复合物在染料敏化太阳能电池上具有很大的应用潜力。(2)采用两步水热法直接在掺氟的二氧化锡透明导电玻璃(FTO)衬底上生长密集整齐的TiO2纳米管阵列薄膜。通过X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜对TiO2纳米管的晶体结构和形貌进行表征。根据FESEM可知,当刻蚀温度从120 oC升高到200 oC时,TiO2纳米棒首先被刻蚀成纳米管,然后再分裂成纳米棒。以TiO2纳米管为光阳极组装成染料敏化太阳能电池,当刻蚀温度为140 oC时,电池的光电转换效率最高为3.20%。这可能是因为TiO2纳米管具有较大的比表面积,可以容纳更多染料和捕获更多的光子,由此可以看出二氧化钛的形貌对染料敏化太阳能电池的光电性能产生一定的影响。进一步煅烧处理可以使TiO2纳米管的光电性能有明显的提高,转化效率呈先升高后降低的趋势,当煅烧温度为400 oC,煅烧时间为3 h,TiO2纳米管具有最高的光电转化效率,为4.74%。(3)以氨水为氮源,钛酸丁酯为钛源,通过简单的水热反应在FTO衬底上生长金红石相氮掺杂TiO2纳米棒阵列。由X射线衍射仪(XPS)可知,反应溶液中只有少量的氮元素进入到TiO2,以O-Ti-N结构存在。随着氨水浓度的增加,TiO2纳米棒的长度大幅增加。将氮掺杂TiO2纳米棒组装成染料敏化太阳能电池,电池的转换效率先上升后下降,最高为2.88%。当煅烧温度为450 oC,煅烧时间为3 h时,光电转换效率提高到3.76%。对比煅烧前后样品的XPS,煅烧处理使样品表面的吸附氮进入到TiO2。总之,适量的氨水浓度和煅烧温度可以提高空白TiO2的光电性能。另外,为了评估全固态太阳能电池,以液态电解质作为对比,发现液态电解质组装成电池的转化效率(5.74%)比固态电解质的高。因此对于全固态太阳能电池还有待进一步改良,达到降低电池界面阻力,加快光生电荷转移,提高光电转化效率的目的。通过改变TiO2的形貌以及非金属元素掺杂,可以使TiO2染料敏化太阳能电池的光电转化效率得到明显的提高。对于TiO2纳米棒的改性,反应溶液的浓度、反应温度以及煅烧处理对其直径、长度和结晶度均有不同程度的影响。随着改良手段的不断优化,DSSC的光电转化效率也在不断升高。选择更为合适的制备以及后处理方案,依旧是我们下一步工作的重点,以期获得更高转化效率的DSSC。 【关键词】：二氧化钛-石墨烯复合物 二氧化钛纳米管 氮掺杂 染料敏化太阳能电池 光电性能
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-12
• 第1章 绪论12-32
• 1.1 能源危机及新能源12-14
• 1.1.1 能源现状13
• 1.1.2 新能源的开发及利用13-14
• 1.2 太阳能电池14-17
• 1.3 染料敏化太阳能电池（DSSC）17-24
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的发展过程17-18
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的电池结构18-21
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池的工作原理21-22
• 1.3.4 染料敏化太阳能电池的性能参数和指标22-24
• 1.4 纳米二氧化钛的研究24-28
• 1.4.1 纳米二氧化钛的晶体结构24-25
• 1.4.2 纳米二氧化钛的制备方法25-26
• 1.4.3 纳米二氧化钛的应用26-28
• 1.5 二氧化钛光阳极的改性28-30
• 1.5.1 非金属掺杂28-29
• 1.5.2 金属掺杂29
• 1.5.3 半导体复合29-30
• 1.5.4 形貌设计30
• 1.6 选题目的及意义30-32
• 第2章 TiO_2-G纳米复合颗粒的制备及其在染料敏化太阳能电池中的研究32-42
• 2.1 引言32-33
• 2.2 实验部分33-36
• 2.2.1 实验试剂和仪器33-34
• 2.2.2 TiO_2-G薄膜的制备34-35
• 2.2.3 TiO_2-G光阳极染料敏化35
• 2.2.4 Pt电极的制备35
• 2.2.5 电解液CsSnI_(2.95)F_(0.05)的制备35-36
• 2.2.6 DSSC的组装36
• 2.2.7 表征和测试36
• 2.3 结果与讨论36-41
• 2.3.1 TiO_2-G纳米复合物的形貌和结构表征36-39
• 2.3.2 TiO_2-G纳米复合物为光阳极组装成全固态太阳能电池的光电性能39-41
• 2.4 本章小节41-42
• 第3章 TiO_2纳米管阵列的制备及其在染料敏化太阳能电池中的研究42-54
• 3.1 引言42
• 3.2 实验部分42-45
• 3.2.1 实验试剂和仪器42-44
• 3.2.2 TiO_2纳米管的制备44
• 3.2.3 DSSC的组装44-45
• 3.2.4 表征和测试45
• 3.3 结果与讨论45-53
• 3.3.1 刻蚀温度对TiO_2纳米管阵列的影响45-50
• 3.3.2 煅烧温度对TiO_2纳米管阵列的影响50-53
• 3.4 本章小节53-54
• 第4章 氮掺杂TiO_2纳米棒阵列的制备及其在染料敏化太阳能电池中的研究54-65
• 4.1 引言54
• 4.2 实验部分54-57
• 4.2.1 实验试剂和仪器54-56
• 4.2.2 N-TiO_2纳米棒阵列的制备56
• 4.2.3 DSSC的组装56
• 4.2.4 表征和测试56-57
• 4.3 结果与讨论57-64
• 4.3.1 氨水浓度对氮掺杂TiO_2纳米棒阵列的影响57-61
• 4.3.2 煅烧温度对氮掺杂TiO_2纳米棒阵列的影响61-64
• 4.4 本章小节64-65
• 结论65-67
• 参考文献67-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士期间取得的相关科研成果75-77

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