二氧化钛纳米管阵列制备及其光伏性能研究

【摘要】：由于其远低于硅太阳能电池的制作价格以及简易的制作工艺，近些年染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized nanocrystalline solar cells, DSSC）已引起科学家的广泛研究。作为染料敏化太阳能电池的核心部件，光阳极材料对染料敏化太阳能电池的转化效率有着极大影响。当前应用最广的光阳极材料是多孔二氧化钛纳米晶颗粒，因其具有大的比表面积，能够吸附大量的染料分子及电解质，因此极大地提高了电池效率。然而，光生电子空穴也容易在这种多孔纳米晶薄膜结构中的大面积晶界处复合，从而降低电池的转换效率。引入一维的纳米阵列结构如纳米棒，纳米线，纳米管阵列是解决这一问题的有效方法之一。这些一维结构中，纳米管阵列具有相对较大的比表面积以及良好的电子传输性质，使得它在近些年受到广泛关注。利用二氧化钛纳米管作为光阳极材料，可望进一步提高染料敏化太阳能电池的效率。 当前制备二氧化钛纳米管有模板法，水热法，阳极氧化等方法。在这些方法中，阳极氧化法得到广泛应用主要因为它的制备工艺简单，并且可以通过改变反应参数来调节如管长，管径等纳米管形貌。本文采用阳极氧化法制备了TiO_2纳米管阵列，研究了工艺条件对阵列组织结构的影响，并将其组装成染料敏化太阳能电池。主要工作总结如下。 （1）利用阳极氧化法制备了面积为5cm×5cm的大面积二氧化钛纳米管阵列薄膜。研究发现，阳极氧化时间对纳米管的管长及顶端形貌起着重要作用。阳极氧化结束后，纳米管薄膜与钛片基底紧密相连。将阳极氧化后的钛片浸入饱和氯化汞溶液中可使纳米管阵列与钛片基体剥离，得到独立，完整的大面积二氧化钛纳米管阵列薄膜。 （2）制备出了两端开口的二氧化钛纳米管阵列。一般阳极氧化法得到的纳米管是底端闭合顶端开口的，但是两端开口的纳米管能增加染料及敏化量子点的吸附，在光伏领域更具应用前景。本文采用60V阳极氧化电压预氧化，之后再提高反应电压并增加反应电流密度，可以得到两端开口的二氧化钛纳米管形貌。 （3）以FTO玻璃为基底、二氧化钛纳米管阵列作为光阳极材料，采用粘结法将阳极氧化制备的二氧化钛纳米管薄膜转移到FTO玻璃上组装了染料敏化太阳能电池并测试了其光电性能。由于粘结剂成分配比不同，退火后形成的二氧化钛阻挡层厚度不同，最后形成的电池的光伏性能也随之变化。研究发现，与二氧化钛颗粒的光阳极材料相比，由于纳米管阵列优异的电子传输性能，以纳米管阵列作为光阳极组装的电池具有更高的光电转换效率。此外，随着二氧化钛阻挡层厚度的下降，电池的转换效率也随之提高。 （4）由于二氧化钛纳米管阵列薄膜在转移及退火过程中容易破碎，在阳极氧化后，我们直接以钛片为基底、二氧化钛纳米管作为光阳极材料组装了染料敏化太阳能电池并研究了其光伏性能。在此过程中，研究了真空吸附作用对电池光电性能的影响。结果表明，由于真空吸附作用，电池效率得到显著提高。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 光阳极 二氧化钛纳米管 阳极氧化 光电效率
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 染料敏化太阳能电池结构和工作原理10-13
• 1.2 敏化染料的研究进展13-15
• 1.3 电解质研究进展15-17
• 1.4 对电极的研究进展17
• 1.5 光阳极材料研究进展17-22
• 1.6 论文研究意义及内容22-24
• 2 阳极氧化法制备大面积二氧化钛纳米管阵列24-35
• 2.1 实验主要药品及仪器25-26
• 2.2 实验部分26-27
• 2.3 结果与讨论27-33
• 2.4 本章小结33-35
• 3 两端开口二氧化钛纳米管的制备35-46
• 3.1 实验主要药品及仪器36
• 3.2 实验部分36-38
• 3.3 结果与讨论38-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 基于 FTO 玻璃染料敏化 TiO_2纳米管阵列太阳能电池组装及光伏性能46-55
• 4.1 实验主要化学试剂及仪器48
• 4.2 实验部分48-50
• 4.3 结果与讨论50-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 基于钛片的染料敏化太阳能电池组装及光伏性能55-59
• 5.1 实验主要化学试剂及仪器55
• 5.2 实验部分55-56
• 5.3 结果与讨论56-58
• 5.4 本章小结58-59
• 6 全文总结及展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-69
• 附录 攻读学位期间发表论文69

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