二氧化钛双层膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】： 本课题采用转化效率相对较高的TiO2作为复合膜主要材料,将形貌不同、性能优异的TiO2材料以双层结构结合从而实现电极膜的多功能化。这种双层结构利用了纳米晶颗粒呈现出优异的染料吸附能力和一维纳米管结构在电子传导具有相对的优势。 采用水热法在180℃下制得平均粒径-20nm的锐钛矿型二氧化钛纳米晶；在水热温度130℃下制得平均管长-1μm、管径-10nm左右的锐钛矿型二氧化钛纳米管。通过刀片涂覆法先后将添加PEG的二氧化钛纳米晶、纳米管浆料沉积在FTO玻璃基底上,之后采用程序升温煅烧法成功制得二氧化钛双层膜电极。通过调控膜组成和厚度得出：氧化钛纳米晶层与纳米管层厚度比为5：3且电极膜厚度为16μm时双层膜电池的光电性能最为优异。 通过光电流-光电压曲线(I-V曲线)、交流阻抗图谱(EIS图谱)以及光电转化效率(IPCE)三种测试方法全面分析了电池的光电性能。双层膜电池总体的光电转化效率为6.15%,比纯二氧化钛纳晶膜电池的光电转化效率高出44.7%并且远远大于纯二氧化钛纳管膜电池。通过电池的交流阻抗图谱研究了电池内部电子传输状态,测试发现二氧化钛双层膜电池具有最低的电子传输阻抗和最长的电子寿命。二氧化钛双层膜电池、二氧化钛纳晶膜电池和二氧化钛纳管膜电池在固定波长约530nm处光电转化效率值分别为57.3%,40.3%和2.2%。与同厚度的纯二氧化钛纳晶膜和纯二氧化钛纳管膜电池相比,以二氧化钛双层膜电池呈现出最好的光电性能。 本文将二氧化钛双层电极膜应用于染料敏化太阳能电池,深入研究了复合膜组成、形貌以及厚度对电池光电转化效率的影响,为二氧化钛双层膜在染料敏化太阳能电池中的应用提供了理论依据。 【关键词】：纳米晶 纳米管 双层膜 半导体 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-29
• 1.1 能源现状15-16
• 1.2 太阳能电池的分类16-19
• 1.2.1 硅基太阳能电池16-17
• 1.2.2 化合物薄膜太阳能电池17
• 1.2.3 有机太阳能电池17-18
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池18-19
• 1.3 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理19-20
• 1.4 染料敏化太阳能电池组成部分的介绍20-22
• 1.4.1 薄膜电极20
• 1.4.2 染料敏化剂20-21
• 1.4.3 对电极21-22
• 1.4.4 电解质22
• 1.5 二氧化钛膜电极的应用现状22-27
• 1.6 本课题的研究内容及创新之处27-29
• 第二章 阳极材料的制备与表征29-39
• 2.1 实验试剂与仪器设备29-30
• 2.1.1 实验试剂29
• 2.1.2 实验仪器与设备29-30
• 2.2 实验方法30-31
• 2.2.1 水热法的简介30
• 2.2.2 二氧化钛纳米晶的制备方法30
• 2.2.3 二氧化钛纳米管的制备方法30-31
• 2.3 水热温度对于材料制备的影响31-33
• 2.3.1 水热温度对于二氧化钛纳米晶的影响31-32
• 2.3.2 水热温度对于二氧化钛纳米管的影响32-33
• 2.4 二氧化钛纳米晶、纳米管的形貌及比表面积表征33-35
• 2.5 二氧化钛纳米晶、纳米管的晶形表征35-36
• 2.6 本章小结36-39
• 第三章 二氧化钛双层膜电极的制备和表征39-45
• 3.1 实验试剂与仪器设备39
• 3.1.1 实验试剂39
• 3.1.2 实验仪器与设备39
• 3.2 二氧化钛双层膜电极的制备39-42
• 3.2.1 二氧化钛纳米晶浆料和二氧化钛纳米管浆料的制备40
• 3.2.2 涂膜技术的筛选40-41
• 3.2.3 煅烧方法的确定41-42
• 3.3 二氧化钛双层膜电极的形貌表征42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 二氧化钛双层膜电池的制备过程介绍45-51
• 4.1 FTO导电玻璃的处理方法45
• 4.2 光阳极的制备方法45
• 4.3 对电极的制备方法45-46
• 4.4 染料吸附量的测量方法46-48
• 4.5 测试电解液的组成48
• 4.6 染料敏化太阳能电池组装48-49
• 4.7 本章小结49-51
• 第五章 二氧化钛双层膜结构的优化51-61
• 5.1 实验试剂与仪器设备51-52
• 5.1.1 实验试剂51
• 5.1.2 实验仪器与设备51-52
• 5.2 实验方法52
• 5.3 膜结构的优化52-54
• 5.3.1 PEG最优添加量的确定52-53
• 5.3.2 四氯化钛后处理对膜电极的影响53-54
• 5.4 膜厚对于电池性能的影响54-57
• 5.5 双层膜上下层厚度最佳比例的确定57-59
• 5.6 双层膜与多层膜电池比较59-60
• 5.7 本章小结60-61
• 第六章 双层膜电池光电性能的对比表征61-71
• 6.1 实验试剂与仪器设备61
• 6.1.1 实验试剂61
• 6.1.2 实验仪器与设备61
• 6.2 平行实验方法介绍61-62
• 6.3 Ⅰ-Ⅴ测试方法62-64
• 6.4 EIS测试方法64-67
• 6.5 IPCE测试方法67-68
• 6.6 本章小结68-71
• 第七章 结论71-73
• 参考文献73-79
• 致谢79-81
• 攻读学位期间发表的学术论文目录81-83
• 作者和导师简介83-84
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书84-85

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