SrTiO_3光电材料和染料敏化太阳能电池的性能研究

【摘要】：环境和能源问题目前仍是困扰人类可持续发展的难题。为了解决这一难题，人们展开了治理污染、保护环境的科学研究。半导体光催化的基本原理是：半导体在光激发下，电子从价带跃迁到导带，在导带形成光生电子，在价带形成空穴；利用光生电子和空穴与不同的反应物反应，可以降解有机污染物和光解水制备H_2和O_2。传统的光催化材料带隙较宽，只具有紫外光光催化活性，但是紫外光能量仅占太阳光的4%，因而太阳光利用率较低。为更好的利用太阳光中的可见光（43%），设计和开发可见光响应的光催化材料成为近年来材料领域的研究热点。钙钛矿结构的SrTiO_3具有较好的光催化活性，在光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物和光化学电池等方面受到了广泛的关注。 本工作通过高温固相法制取SrTiO_3、AgNbO_3、(AgNbO_3)0.5(SrTiO_3)0.5固溶体样品，探讨了Cr掺杂SrTiO_3光催化材料中Cr的稳定性，AgNbO_3-SrTiO_3固溶体薄膜的带隙结构和光电化学性能，以及PEG400对染料敏化太阳能电池性能的影响。具体工作如下： 1.采用固相法制备了不同掺杂量、不同煅烧温度和不同取代位置的Cr掺杂SrTiO_3样品，研究了其在不同pH值的溶液中Cr的稳定性。结果表明：即使掺杂量为1%，溶液中还是会有Cr相关的离子存在；溶液中Cr相关离子的浓度，随着掺杂量的增加而增大，随着煅烧温度的升高而减少。Cr在取代Sr位掺杂的样品中比取代Ti位掺杂的样品更稳定。Cr在中性溶液中最稳定，在酸性溶液中是以Cr3+离子存在，在中性和碱性溶液中以Cr_2O_7~(2-)与CrO_4~(2-)离子存在。 2.我们将利用脉冲激光沉积技术（PLD）在FTO上沉积AgNbO_3、(AgNbO_3)0.5(SrTiO_3)0.5、SrTiO_3固溶体薄膜电极，沉积温度是600℃，激光重复频率为5Hz，激光能量是300mJ，氧压是10Pa。利用X射线衍射、紫外可见吸收光谱和原子力等手段对晶相组成、吸光性能、表面形貌等进行了表征。通过测量固溶体薄膜电极的起始电压和光电流可以估算出它们的能带结构和光电化学性能。AgNbO_3、(AgNbO_3)0.5(SrTiO_3)0.5、SrTiO_3的光学带隙分别是3.1eV、3.3eV、3.6eV。相对于Ag/AgCl参比电极，AgNbO_3、(AgNbO_3)0.5(SrTiO_3)0.5、SrTiO_3的起始电位分别是-0.34、-0.31和-0.56eV，说明三个电极中SrTiO_3的价带电位最正，AgNbO_3电极的稳定光电流最小。最大光电流和稳定光电流的比值（RIp/Is）可以反应样品表面态的电子和空穴对的复合情况。 3.本工作中，我们利用刮涂法制备薄膜电极，以TiO2粉体(P25)为原料，加入一定量的水、PEG400、分散剂后，搅拌24小时，把所得的浆料用玻璃棒擀涂在导电玻璃上制备一定面积和厚度的薄膜，450oC热处理30min后，放入N719染料的乙醇溶液（5×10-5M）中浸泡24h，得到TiO_2/染料电极。用夹子把TiO_2/染料电极和镀Pt的对电极夹紧，在两者之间滴加电解液，即完成染料敏化太阳能电池的制作。并使用CHI660电化学工作站测试电池的光电转化性能。结果表明，加入PEG400为0.2mL时，薄膜在450oC退火30min后，在N719染料的乙醇溶液中(5×10-5M)浸泡24h可获得较好的电池性能。 【关键词】：Cr掺杂SrTiO_3 稳定性 光电流 效率
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 引言10
• 1.2 半导体材料10-13
• 1.2.1 二氧化钛10-11
• 1.2.2 钛酸锶11-13
• 1.2.3 铌酸银材料13
• 1.3 光催化13-15
• 1.4 染料敏化太阳能电池15-17
• 1.4.1 单色光电转化效率15-16
• 1.4.2 I-V 曲线和光电转化效率16-17
• 1.5 本论文的意义和内容17-18
• 参考文献18-22
• 第二章 Cr 掺杂 SrTiO_3光催化材料中 Cr 的稳定性22-36
• 2.1 前言22-23
• 2.2 实验部分23-24
• 2.2.1 原料23
• 2.2.2 测试仪器23
• 2.2.3 样品制备23-24
• 2.2.4 稳定性表征24
• 2.3 结果与讨论24-32
• 2.3.1 样品的 XRD 分析24-25
• 2.3.2 样品的表面光电压光谱分析25-27
• 2.3.3 紫外-可见光谱分析27-32
• 2.4 结论32-33
• 参考文献33-36
• 第三章 AgNbO_3-SrTiO_3固溶体薄膜的带隙结构和光电化学性能36-50
• 3.1 前言36-37
• 3.2 实验部分37-38
• 3.2.1 靶材的制备37
• 3.2.2 薄膜样品的制备37-38
• 3.2.3 薄膜样品的表征仪器38
• 3.2.4 电化学测试38
• 3.3 结果与讨论38-45
• 3.3.1 样品的 XRD 分析38-39
• 3.3.2 紫外-可见光谱分析39-40
• 3.3.3 AFM 分析40-41
• 3.3.4 电化学性能测试41-45
• 3.4 结论45-46
• 参考文献46-50
• 第四章 TiO_2染料敏化太阳能电池的制备和研究50-62
• 4.1 染料敏化纳米晶太阳能电池的结构和工作原理50-52
• 4.1.1 结构50
• 4.1.2 工作原理50-52
• 4.2 TiO_2染料敏化太阳能电池的制备52-56
• 4.2.1 TiO_2薄膜电极的制备53-55
• 4.2.2 铂电极的制备55
• 4.2.3 染料的配置55
• 4.2.4 电解液的配置55-56
• 4.2.5 电池的组装56
• 4.2.6 电池性能测试56
• 4.3 电池性能的结果和讨论56-59
• 4.3.1 电池的效率测试56-58
• 4.3.2 样品的形貌测试58-59
• 4.4 本章小结59-60
• 参考文献60-62
• 致谢62-63
• 硕士期间发表论文目录63-64

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