TiO_2纳米管碎片的制备及在染料敏化太阳能电池上的应用

【摘要】：能源危机和环境污染是当今社会面临的两大重大难题，为了人类社会的可持续发展，探索和开发新能源已成为了各个国家非常重视的重大课题。由于染料敏化太阳能电池具有制作简单、成本低廉、效率高和寿命长等优点，必然成为研究、开发的热点对象。其光电转换效率目前可以达到11.91%，已经成为新一代太阳能电池的主要研究发展方向之一。 染料敏化太阳能电池（DSSC）主要是由纳米TiO_2光阳极、染料、电解液、对电极四部分组成。其中，光阳极薄膜材料的构成、晶体类型、颗粒大小、比表面等因素直接影响染料敏化太阳能电池的光电转化率。其中，制备优良的纳米TiO_2又成为制备光阳极的基础，制备纳米TiO_2薄膜的方法有溶胶－凝胶法、电化学沉积法、化学气相沉积法、溅射法、水热法等。 纳米TiO_2多孔薄膜电极是太阳能电池的重要组成部分，我们所做的主要工作如下： （1）采用溶胶-凝胶和水热法相结合制备合了成Fe~(3+)/TiO_2纳米颗粒，然后用强碱-水热法合成Fe~(3+)/TiO_2纳米管，在500℃退火成为Fe~(3+)/TiO_2纳米管碎片。 （2）用透射电子显微镜（SEM）、扫描电子显微镜（TEM）、X-射线电子衍射（XRD）、系列光谱性能测试仪7-SCSpec等表征手段表征。采用旋涂方法将Fe~(3+)/TiO_2纳米管碎片浆料涂在导电玻璃（ITO）上，并进行热处理。 （3）将印制了薄膜的ITO导电玻璃浸在N713染料中一段时间后，与镀铂金的ITO导电玻璃组装成染料敏化太阳能电池。在模拟太阳光照射下，该电池填充因子0.52，短路电流2.19mA，开路电压0.69V，光电转化率7.19%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池（DSSC） 纳米管碎片 离子掺杂 溶胶－凝胶法
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-23
• 1.1 引言9-14
• 1.1.1 硅系太阳能电池12-13
• 1.1.2 多元化合物薄膜太阳能电池13
• 1.1.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池13-14
• 1.1.4 纳米晶化学太阳能电池14
• 1.2 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理14-23
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的基本结构14-21
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理21-23
• 第二章 染料敏化太阳能电池的组装及表征23-29
• 2.1 实验试剂和仪器23-24
• 2.1.1 实验试剂23-24
• 2.1.2 实验仪器和设备24
• 2.2 染料敏化太阳能电池光电性能的测试24-25
• 2.2.1 I-V 特性曲线的测试24-25
• 2.2.2 染料敏化太阳能电池光阳极薄膜透射率的测试25
• 2.3 染料敏化太阳能电池的表征25-26
• 2.3.1 染料敏化太阳能电池光阳极材料晶体结构的测试25-26
• 2.3.2 染料敏化太阳能电池光阳极材料比表面的测试26
• 2.3.3 染料敏化太阳能电池光阳极材料表面形貌的测试26
• 2.3.4 染料敏化太阳电池光阳极材料表面内部结构的测试26
• 2.4 染料敏化太阳能电池的制备26-29
• 2.4.1 染料敏化太阳能电池薄膜基片的清洗26
• 2.4.2 染料敏化太阳能电池用到的电解液的配制26-27
• 2.4.3 染料敏化太阳能电池封装中热封膜的使用27
• 2.4.4 染料敏化太阳能电池用到的染料的配置27
• 2.4.5 TiO_2纳米晶颗粒、纳米管、纳米管碎片的制备方法27-28
• 2.4.6 染料敏化太阳能电池的组装28-29
• 第三章 水热法制备光阳极材料 P25 纳米管碎片及性能研究29-41
• 3.1 引言29
• 3.2 强碱-水热法制备 P25 纳米管碎片29-31
• 3.2.1 主要的实验原料、仪器和实验原理29-30
• 3.2.2 P25 纳米管和纳米碎片制备30
• 3.2.3 制备 P25 纳米管碎片薄膜电极30
• 3.2.4 染料敏化太阳能电池的组装30-31
• 3.3 实验结果与讨论31-40
• 3.3.1 P25、P25 纳米管和 P25 纳米碎片 XRD 分析31
• 3.3.2 P25、P25 纳米管和 P25 纳米碎片 TEM 图31-32
• 3.3.3 P25、P25 纳米管和 P25 纳米碎片薄膜的光电性能32-40
• 3.4 小结40-41
• 第四章 溶胶-凝胶-水热法 TiO_2纳米管碎片的制备及光电性能研究41-57
• 4.1 引言41-42
• 4.2 溶胶-凝胶-水热法制备纳米 TiO_2纳米管碎片42-43
• 4.2.1 主要的实验原料、仪器和实验方法42-43
• 4.2.2 TiO_2纳米颗粒、纳米管、纳米碎片的制备43
• 4.2.3 制备 TiO_2纳米管碎片薄膜电极43
• 4.2.4 染料敏化太阳能电池的组装43
• 4.3 实验结果与讨论43-55
• 4.3.1 纳米 TiO_2的 XRD 分析43-44
• 4.3.2 TiO_2颗粒的表面形貌44-46
• 4.3.3 纳米 TiO_2的 TEM 分析46-47
• 4.3.4 纳米 TiO_2薄膜的光电性能47-55
• 4.4 小结55-57
• 第五章 Fe~(3+)掺杂 TiO_2纳米管碎片制备及光电性能研究57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 溶胶-凝胶-水热法制备纳米 TiO_2 纳米管碎片57-59
• 5.2.1 主要的实验原料、仪器和实验方法57-58
• 5.2.2 Fe~(3+)/TiO_2纳米颗粒、纳米管、纳米碎片的制备58-59
• 5.2.3 制备 Fe~(3+)/TiO_2纳米管碎片薄膜电极59
• 5.2.4 染料敏化太阳能电池的组装59
• 5.3 实验结果与讨论59-66
• 5.3.1 纳米 Fe~(3+)/TiO_2颗粒的 XRD 分析59-61
• 5.3.2 Fe~(3+)/TiO_2的 SEM 分析61-63
• 5.3.3 Fe~(3+)/TiO_2的 TEM 分析63-64
• 5.3.4 Fe~(3+)/TiO_2纳米管碎片薄膜光电性能64-66
• 5.4 本章小结66-67
• 第六章 结论67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 硕士期间发表论文情况75-76

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