三维层次结构TiO_2的制备及在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)作为新一代太阳能电池，由于具有成本低廉、制作工艺简单、环境友好及较高的光电转换效率等优点而得到广大科研工作者的关注。在DSSC结构中，光阳极是其核心部件。一般来说，高效的光阳极应具备大的比表面积，快速的电子传输和强的光散射能力。但DSSC通常所使用的纳晶TiO_2多孔膜是半透明的，且从染料所产生的电子要传输至透明导电氧化物电极需克服大量晶界势垒。因此，通过调控TiO_2颗粒的微观形貌、微观结构，提高其吸附染料能力、电子传输以及光散射能力，从而提高DSSC光电转换效率是当前研究的热点之一。 本文通过水热法制备了介孔TiO_2微球及花状TiO_2微球，采用X-射线衍射仪(XRD)、场发射扫面电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)和比表面积分析仪对样品的物相、形貌、微观结构、比表面积、孔径和孔容进行分析。将合成的介孔TiO_2微球和花状TiO_2微球制备光阳极并将其组装成电池，采用电化学工作站和IPCE测试系统测量电池的光电性能，其主要研究内容及结果如下： (1)以Ti(SO_4)_2为钛源，采用水热法合成了具有高比表面积的介孔TiO_2微球，通过控制加入尿素的量来控制TiO_2微球的比表面积、孔径、孔容和颗粒尺寸。当尿素加入量为1.2g时，所合成的介孔TiO_2微球制备的光阳极具有最好的光电性能，其总光电转换效率达到6.2%，明显高于P25电极的光电转换效率(4.24%)。将介孔TiO_2微球电极用不同浓度的TiCl_4溶液进行后处理，结果表明：低浓度的TiCl_4溶液处理TiO_2电极能明显提高其光电转换效率，但随着TiCl_4浓度的升高电池的光电转换效率降低。 (2)将TiO_2纳米颗粒作为底层，介孔TiO_2微球作为反射层构成具有双层结构的光阳极。由于这种新颖的双层结构光阳极具有强的染料吸附能力和光散射能力及良好的电子传输能力，在模拟太阳光照射下(100mW/cm2)，其组装成的电池的光电转换效率达到7.78%，相比于单层纳晶TiO_2光阳极、双层纳晶TiO_2光阳极和介孔TiO_2微球电极所组装的电池，其光电转换效率分别提高了50%、19%和25%。 (3)以Ti粉为钛源，采用水热法合成了由纳米线构成的花状TiO_2微球。将其与TiO_2纳米颗粒相结合制备了具有双层结构的光阳极。由于这种双层结构的光阳极具有强的染料吸附能力和良好的电子传输能力，在模拟太阳光的照射下(100mW/cm~2)，其组装成的电池的光电转换效率达到7.75%，明显高于纳晶TiO_2光阳极(6.45%)和纯的花状TiO_2微球光阳极(3.89%)所组装的电池。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 光阳极 介孔TiO_2微球花 状TiO_2微球
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-28
• 1.1 前言10-11
• 1.2 DSSC结构和工作原理11-13
• 1.2.1 DSSC基本结构11
• 1.2.2 DSSC工作原理11-13
• 1.3 DSSC光阳极研究进展13-19
• 1.3.1 具有核壳结构光阳极13-14
• 1.3.2 具有垂直阵列结构的光阳极14-15
• 1.3.3 具有混合纳米结构光阳极15-16
• 1.3.4 具有三维层次结构的光阳极16-19
• 1.4 DSSC敏化剂研究进展19-21
• 1.4.1 钌吡啶有机金属配合物19
• 1.4.2 有机染料19-20
• 1.4.3 天然染料20-21
• 1.4.4 量子点21
• 1.5 DSSC电解质研究进展21-25
• 1.5.1 液态电解质22-23
• 1.5.2 准固态电解质23-24
• 1.5.3 固态电解质24-25
• 1.6 本论文的研究内容及意义25-28
• 第2章 介孔二氧化钛微球的制备及在DSSC中的应用28-42
• 2.1 引言28
• 2.2 实验28-30
• 2.2.1 实验药品及仪器28-29
• 2.2.2 介孔TiO2微球的制备29
• 2.2.3 DSSC光阳极的制备29
• 2.2.4 样品表征29-30
• 2.2.5 DSSC组装及光电性能测试30
• 2.3 结果与分析讨论30-39
• 2.3.1 晶体结构30-31
• 2.3.2 形貌分析31-33
• 2.3.3 BET比表面积和孔径分布33-34
• 2.3.4 TiO_2光阳极染料吸附量34
• 2.3.5 TiO_2光阳极漫反射34-35
• 2.3.6 DSSC光电性能35-38
• 2.3.7 TiCl_4溶液后处理38-39
• 2.4 本章小结39-42
• 第3章 介孔TiO_2微球作为反射层在DSSC中的应用42-52
• 3.1 引言42
• 3.2 实验42-44
• 3.2.1 实验药品及仪器42-43
• 3.2.2 介孔TiO_2及纳晶TiO_2的制备43
• 3.2.3 DSSC光阳极的制备43-44
• 3.2.4 样品表征44
• 3.2.5 DSSC的组装及光电性能测试44
• 3.3 结果与分析44-51
• 3.3.1 物相分析44-45
• 3.3.2 形貌分析45-46
• 3.3.3 光阳极漫反射光谱分析46-47
• 3.3.4 光阳极染料吸附量分析47-48
• 3.3.5 DSSC光电性能48-49
• 3.3.6 电化学阻抗(EIS)分析49-50
• 3.3.7 IPCE分析50-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 花状TiO_2的合成及在DSSC中的应用52-64
• 4.1 引言52
• 4.2 实验52-54
• 4.2.1 实验药品及仪器52-53
• 4.2.2 花状TiO_2的制备53
• 4.2.3 DSSC光阳极的制备53
• 4.2.4 样品表征53-54
• 4.2.5 DSSC的组装及光电性能测试54
• 4.3 结果与分析54-63
• 4.3.1 XRD分析54-55
• 4.3.2 形貌及微观结构分析55-57
• 4.3.3 BET分析57-58
• 4.3.4 光阳极漫反射光谱分析58-59
• 4.3.5 光阳极膜染料吸附量59-60
• 4.3.6 DSSC光电性能60-61
• 4.3.7 电化学阻抗(EIS)分析61-62
• 4.3.8 IPCE分析62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第5章 总结64-66
• 参考文献66-76
• 致谢76-78
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果78

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