改性纳米TiO2的制备及其在染料敏化太阳能电池中的 性能研究-材料物理与化学专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 改性纳米 TiO2 的制备及其在染料敏化太阳能电池中的 性能研究 摘 要 染料敏化太阳能电池（DSSC）成本低廉、对环境无污染、制备工艺简单， 被认为是最具有应用前景的新型光伏电池。二氧化钛具有无毒、价格低廉、化学 性能稳定等特性，已被广泛应用于染料敏化太阳能电池、光催化、水分解、传感 器以及锂离子电池等众多领域。TiO2 光阳极作为染料敏化太阳能电池的主要组成 部分，应该具备以下条件：较高的比表面积、较快的电子传输速率、有效地抑制 光生载流子的复合等。因此，需要对纳米 TiO2 进行改性，使其能获得更高的光电 转换效率。 本文主要通过纳米 TiO2 与石墨烯复合、刻蚀法合成 TiO2 纳米管阵列以及氮 掺杂纳米 TiO2 来提高染料敏化太阳能电池的光电性能。主要工作如下： （1）使用硫酸氧钛（TiOSO4）作为钛源，石墨烯作为支撑体，通过回流法 合成锐钛矿相二氧化钛-石墨烯（TiO2-G）复合材料。通过 X 射线衍射（XRD）、 场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）以及热重分析（TGA） 对 TiO2-G 的晶体结构、形貌和组成进行表征。TiO2-G 纳米复合物中的 TiO2 和空 白 TiO2 颗粒都呈纺锤状结构且长轴沿着[001]方向生长，复合物中的纳米 TiO2 均 匀地平铺在石墨烯层表面。以 TiO2-G 为光阳极组装成染料敏化太阳能电池，电 池的光电转换效率（2.30%）明显高于空白 TiO2 电池（0.89%）。此外，对 TiO2-G 进行煅烧处理也可以提高其光电性能，当煅烧温度从 450 oC 增加到 600 oC 时， 电池的转化效率从 1.50%升高到 2.60%。以上结果说明 TiO2-G 复合物在染料敏化 太阳能电池上具有很大的应用潜力。 （2）采用两步水热法直接在掺氟的二氧化锡透明导电玻璃（FTO）衬底上生 长密集整齐的 TiO2 纳米管阵列薄膜。通过 X 射线衍射、场发射扫描电子显微镜、 透射电子显微镜对 TiO2 纳米管的晶体结构和形貌进行表征。根据 FESEM 可知， 当刻蚀温度从 120 oC 升高到 200 oC 时，TiO2 纳米棒首先被刻蚀成纳米管，然后 再分裂成纳米棒。以 TiO2 纳米管为光阳极组装成染料敏化太阳能电池，当刻蚀温 度为 140 oC 时，电池的光电转换效率最高为 3.20%。这可能是因为 TiO2 纳米管具 有较大的比表面积，可以容纳更多染料和捕获更多的光子，由此可以看出二氧化 I 钛的形貌对染料敏化太阳能电池的光电性能产生一定的影响。进一步煅烧处理可 以使 TiO2 纳米管的光电性能有明显的提高，转化效率呈先升高后降低的趋势，当 煅烧温度为 400 oC，煅烧时间为 3 h，TiO2 纳米管具有最高的光电转化效率，为 4.74%。 （3）以氨水为氮源，钛酸丁酯为钛源，通过简单的水热反应在 FTO 衬底上 生长金红石相氮掺杂 TiO2 纳米棒阵列。由 X 射线衍射仪（XPS）可知，反应溶液 中只有少量的氮元素进入到 TiO2，以 O-Ti-N 结构存在。随着氨水浓度的增加， TiO2 纳米棒的长度大幅增加。将氮掺杂 TiO2 纳米棒组装成染料敏化太阳能电池， 电池的转换效率先上升后下降，最高为 2.88%。当煅烧温度为 450 oC，煅烧时间 为 3 h 时，光电转换效率提高到 3.76%。对比煅烧前后样品的 XPS，煅烧处理使 样品表面的吸附氮进入到 TiO2。总之，适量的氨水浓度和煅烧温度可以提高空白 TiO2 的光电性能。另外，为了评估全固态太阳能电池，以液态电解质作为对比， 发现液态电解质组装成电池的转化效率（5.74%）比固态电解质的高。因此对于 全固态太阳能电池还有待进一步改良，达到降低电池界面阻力，加快光生电荷转 移，提高光电转化效率的目的。 通过改变 TiO2 的形貌以及非金属元素掺杂，可以使 TiO2 染料敏化太阳能电 池的光电转化效率得到明显的提高。对于 TiO2 纳米棒的改性，反应溶液的浓度、 反应温度以及煅烧处理对其直径、长度和结晶度均有不同程度的影响。随着改良 手段的不断优化，DSSC 的光电转化效率也在不断升高。选择更为合适的制备以 及后处理方案，依旧是我们下一步工作的重点，以期获得更高转化效率的 DSSC。 关键词：二氧化钛-石墨烯复合物；二氧化钛纳米管；氮掺杂；染料敏化太阳能电 池；光电性能 II PREPARATION OF MODIFIED NANO TiO2 AND THE PERFORMANCE OF THE ASSEMBLED DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS ABSTRACT Dye-sensitized solar cell (DSSC)