硅质壳/氧化钛复合材料的制备及其在太阳能电池中的应用

【摘要】：由于硅藻硅质壳在微纳米尺度范围内具有精美绝伦的三维立体结构，以及这种结构赋予它的高比表面积、高韧性以及高传输率等非同一般的性质，使其成为新型材料领域的研究热点。与此同时，随着化石能源的日渐匮乏，太阳能作为新能源的典型代表被广泛关注。近年来，通过众多科学工作者的不懈努力，在太阳能电池的研究方面取得了很大的进展，其中，染料敏化太阳能电池作为太阳能电池中的新成员，因其结构简单、易于制造、成本低廉而备受瞩目。本文选取了个体较大、易于分离观察的圆筛藻（Coscinodiscus sp.）硅质壳为模板，利用钛的前躯体，通过模板合成-乙酰丙酮-溶胶凝胶法，在温和的条件下成功合成了基于圆筛藻硅质壳三维结构的硅质壳/氧化钛复合材料和硅质壳/掺N氧化钛复合材料，并以此为基础成功获得了生物形状的木耳状氧化钛纳米材料；借助扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）、红外光谱（IR）以及固体荧光等表征手段对得到的三类材料进行了表征，提出了材料制备的可能反应机理。在此基础上，对比分析了不同材料的染料敏化太阳能电池的性能。 主要研究成果如下： （1）圆筛藻（Coscinodiscus sp.）硅质壳呈精细的三维多级孔状结构； Si-O-Si基团为硅质壳上的主要基团，未经高温煅烧处理的硅质壳表面存在Si-OH活性基团，但经550℃以上的高温加热后，Si-OH活性基团消失；硅质壳的光致发光特征波长为311nm。 （2）利用圆筛藻硅质壳模板-乙酰丙酮-溶胶凝胶法合成了硅质壳/氧化钛、硅质壳/掺N氧化钛以及生物形状氧化钛纳米材料，并得出了基于该方法的最佳硅钛摩尔比为3:1。在此基础上阐述了制备过程的反应机理。制备出了具有光放大功能的反蛋白石结构的三种不同光电材料，即硅质壳/氧化钛、硅质壳/掺N氧化钛、木耳状的生物形状氧化钛。通过扫描电子显微分析，得出了硅质壳/掺N氧化钛复合材料的表面材料涂覆比硅质壳/氧化钛复合材料表面材料涂覆更加均匀；扫描电子显微分析和X射线衍射分析结果表明生物形状氧化钛纳米材料的氧化钛粒径有所减小，显然，其木耳状大大增加了材料的比表面积；通过荧光分析得出硅质壳/氧化钛复合材料的光致发光特征波长为399nm。 （3）制成了性能良好的以硅质壳/氧化钛复合材料改性的氧化钛基染料敏化太阳能电池，其最大能量转化率为3.12％，较同薄膜体积的氧化钛染料敏化太阳能电池而言，能量转化率提高了约50％。与此同时，得出了采用不同材料的染料敏化太阳能电池的能量转化率的顺序为：加入硅质壳/氧化钛复合材料的＞加入圆筛藻硅质壳的＞普通的。 【关键词】：圆筛藻 溶胶凝胶法 硅质壳/氧化钛 生物形状 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TB332
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 前言11-27
• 1.1 硅藻硅质壳的结构、改性及应用11-15
• 1.2 染料敏化太阳能电池的概述15-25
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池简介15-21
• 1.2.2 纳米氧化钛及应用于 DSSC 光阳极的研究现状21-25
• 1.3 本文的研究目标和主要研究内容25-27
• 2 实验部分27-34
• 2.1 实验仪器与试剂材料27-28
• 2.2 圆筛藻的培养基硅质壳结构的提取与表征28-29
• 2.2.1 圆筛藻的培养28
• 2.2.2 圆筛藻硅质壳的提取28-29
• 2.2.3 圆筛藻硅质壳的表征29
• 2.3 圆筛藻硅质壳/氧化钛及生物形状氧化钛的合成29-30
• 2.3.1 圆筛藻硅质壳/氧化钛的合成29-30
• 2.3.2 生物形状氧化钛的合成30
• 2.4 圆筛藻硅质壳/掺 N 氧化钛及生物形状掺 N 氧化钛的合成30-31
• 2.4.1 圆筛藻硅质壳/掺 N 氧化钛的合成30-31
• 2.4.2 生物形状掺 N 氧化钛的合成31
• 2.5 纳米材料的表征31-32
• 2.5.1 扫描电子显微分析及能谱分析31
• 2.5.2 X 射线衍射分析31
• 2.5.3 固体荧光分析31-32
• 2.5.4 红外光谱分析32
• 2.6 染料敏化太阳能电池的制作及其性能测试32-34
• 2.6.1 染料敏化太阳能电池的制作32-33
• 2.6.2 染料敏化太阳能电池的性能测试33-34
• 3 结果与讨论34-54
• 3.1 圆筛藻硅质壳的结构、组成及光学性质分析34-38
• 3.1.1 圆筛藻硅质壳的显微分析34-36
• 3.1.2 圆筛藻硅质壳的固体荧光分析36-37
• 3.1.3 圆筛藻硅质壳的红外光谱分析37-38
• 3.2 圆筛藻硅质壳/氧化钛及生物形状氧化钛的分析38-49
• 3.2.1 硝酸-溶胶凝胶法制得的不同比例硅质壳/氧化钛复合材料分析38-44
• 3.2.2 生物形状氧化钛形貌分析、成分分析及晶相分析44-47
• 3.2.3 实验过程及反应机理分析47-49
• 3.3 硅质壳/掺 N 氧化钛复合材料的表面形貌分析49-50
• 3.4 多种染料敏化太阳能电池的对比分析50-54
• 3.4.1 基于纯氧化钛薄膜染料敏化太阳能电池的光电性能分析50-51
• 3.4.2 掺入硅质壳的染料敏化太阳能电池的光电性能分析51-52
• 3.4.3 掺入不同比例硅质壳/氧化钛的染料敏化太阳能电池的光电性能分析52-54
• 4 结论54-56
• 参考文献56-66
• 致谢66-67
• 个人简历67-68
• 发表的学术论文68-69

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

氧化钛对镁质浇注料抗渣侵蚀性能的研究    王飞;陈苗;

四氯化钛水解法制备纳米氧化钛超细粉体    张青红,高濂,郭景坤

直接热氧化制备氧化钛薄膜电极的研究 Ⅰ .制备、结构和电化学性质    冷文华,张昭,成少安,张鉴清,曹楚南

光催化过程中氧及过氧化氢对氧化钛的效应    张庆庆,汤斌,王进,吴俊

纳米氧化钛-乙二醇溶胶溶液的研究    陈海珍

静电纺丝Ag-TiO_2复合纳米纤维的制备和表征    张威;李和平;黄思雅;潘伟;

含氧化钛高炉型渣中氧化镁对脱硫的影响    黄振奇,杨祖磐,郭庭虎

电光源用硼硅酸盐玻璃紫外截止性研究    庞建;田英良;孙诗兵;

自清洁玻璃的研究进展    段琼娟;王彪;王华平;

氧化钛-氧化铝复合微滤膜的制备    董强,琚行松,黄培,徐南平,时钧

氧化钨/氧化钛溶膠凝膠薄膜之气体感测性质研究    鄭錦華;蔡健益;陳錦毅;林弘斌;蘇程裕;林鴻明;林中魁;

钠含量对氮掺杂氧化钛可见光学性能的影响    田宝丽;孙嘉若;杜祖亮;

复合材料失效分析    何九领;鲁金华;

Y~(3+)掺杂对TiO_2自然光催化降解性能的影响    雅菁;贾堤;张炜;刘云兆;

AU2000声-超声复合材料检测系统研制    刘时风;王勇;陶雪荣;陈显锋;

复合材料变形与损伤的光力学细观实验系统    佟景伟;沈珉;王世斌;李鸿琦;穆祥新;

注塑成型CB/iPP/HDPE复合材料电性能的研究    郜永娟;刘正英;杨鸣波;

纤维型Microstretch复合材料的面内有效弹性模量预测    马寒松;

二维点阵复合材料圆筒结构软模辅助缠绕成型及轴向压缩性能研究    张昌天;李晶晶;江大志;肖加余;

高韧性树脂转移模塑聚酰亚胺复合材料技术    益小苏;王震;刘志真;杨慧丽;丁孟贤;李宏运;

氧化钛瓷砖不让楼宇外墙灰蒙蒙    卫国

亚什兰在华代理TA公司PVC复合材料    亚兰

江阴自主研发产品获JEC复合材料展创新奖    郑英

亚洲最大复合材料生产基地在哈建成    黄丽娟胡伟滨 记者 王方遒

中国建材收购德国企业    朱剑红

循环当先 绿字先行    燕希东

EPMC复合材料发展进入新阶段    记者 刘棉柳

中国复合材料集团锁定“三高”产品    记者 杨静

专注指向成功    尔基

帝斯曼复合材料树脂集团推出两个新产品    朱江

碳/碳复合材料刚度与强度预测模型研究    袁辉

CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料的制备及性能研究    聂军武

利用反应烧结法制备Si_3N_4复合材料及其多孔材料的研究    袁磊

废弃环氧树脂再生技术及应用研究    许文娇

共注射RTM制备承载/隔热/防热一体化复合材料    尹昌平

铜基体上原位合成碳纳米管（纤维）及其复合材料的性能    康建立

Cu/TiC复合材料的制备，组织结构及摩擦磨损行为    庄健

铁基微粉/粘合剂复合材料的微波吸收性能研究    韩相华

三维编织复合材料的力学性能和尺寸效应研究    王宝来

飞机蜂窝结构动态冲击下的破坏机理及吸收能量分配机制    孟黎清

硅质壳/氧化钛复合材料的制备及其在太阳能电池中的应用    陈然

氧化石墨插层复合材料的合成及其表征    范丽红

含端乙焕基硅/氮树脂及其复合材料的研究    卜军

碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料的制备和性能研究    石品品

高介电常数氰酸酯基复合材料的研究    沈艳萍

竹粉/聚丙烯复合材料的研究    蔡国锋

含孔隙复合材料的强度分析研究    梁少旭

泡沫来层复合材料的制备及其力学和阻燃性能的研究    李国琴

复合材料闭合薄壁梁的模态阻尼预测    滕祥萌

复合材料的多平面加强柱壳结构研究    姜舜