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纳米氧化钛光阳极材料控制合成与薄膜结构优化

作　者: 姜军
导　师: 李春忠；顾锋
学　校: 华东理工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 染料敏化太阳能电池电极薄膜二氧化钛水热合成电子传输
分类号: TB383.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

对于染料敏化太阳能电池(DSSCs),光阳极薄膜起着附载染料和传输电子的双重作用,其对电池性能具有重要影响。本文以纳米二氧化钛为研究对象,分别从改善电子传输、提高染料吸附、增强光散射等角度,设计合成了Ti02纳米棒、纳米梭、介孔棒、介孔聚集体和多空心球等结构,并通过优化电极薄膜结构系统研究了电池的光电化学性能。为了改善DSSCs电极薄膜中电子的传输,基于水热过程,通过控制晶体成核和生长,合成了单晶Ti02纳米棒、去顶八面体和纳米梭等结构。首先以水热法制备的水溶性钛源为钛前驱体,可控合成了单晶Ti02纳米棒及去顶八面体,并探讨了其生长机理。反应过程中引入的F离子降低了Ti02的(001)晶面的表面能,钝化了高活性{001)晶面,使其得以保留,形成{001}面暴露的Ti02十面体形状的去顶八面体。通过在非水相溶剂中引入的微量水实现对钛水解速率的有效控制,一步水热可控合成了单晶Ti02纳米梭。将Ti02纳米棒和去顶八面体按一定比例混合,组装了基于Ti02纳米棒/去顶八面体复合结构的太阳能电池器件。去顶八面体具有粒径小、比表面积高等特点,利于染料吸附,而大尺寸的Ti02纳米棒则便于电子传输,因此两者混合后形成的复合结构电极可同时提高薄膜的染料吸附量和电子传输速率。研究发现当纳米棒含量为80 wt%时,组装的基于纳米棒/去顶八面体复合结构电极电池器件的光电转化效率最高(7.40%),分别比基于纯Ti02纳米棒和去顶八面体电极电池提高了6%和18%。将单晶Ti02纳米梭应用于DSSCs电极薄膜的散射层,以P25膜为染料吸附层,组装了基于P25/TiO2纳米梭的双层复合结构的电池器件,研究发现双层结构电极可显著提高薄膜的光散射效果和电子传输,组装的电池器件的效率较基于P25单层电极的电池提高了27%。为了提高DSSCs电极薄膜中染料附载,论文以三嵌段共聚物P123结构导向剂为模板,采用溶胶-凝胶法控制合成了高比表面积的介孔Ti02聚集体及Ti02介孔棒。利用Ti02介孔棒和介孔Ti02聚集体作为DSSCs电极的染料吸附层(下层)和散射层(上层),组装了基于Ti02介孔棒/介孔聚集体双层复合结构电极的电池器件。由于介孔Ti02的高比表面积、Ti02聚集体的大尺寸、介孔棒的取向聚集排列等特点,在显著提高复合电极薄膜的染料吸附量的同时,也提高了光利用率及电子传输,因此组装的Ti02介孔棒/介孔聚集体双层复合电极电池效率达8.08%,对比基于P25单层电极的电池提高了51%。为了进一步增强DSSCs电极的光散射作用,提高对入射光的利用率,利用在异丙醇溶剂中引入丙三醇形成的“微乳液”体系,采用“微乳液法”合成具有多空心结构的Ti02微球,并系统探讨了其形成机理。研究发现Ti02多空心球由15 nm大小的颗粒聚集而成,内部空穴直径约40 nm,外球尺寸160～360 nm,而且可通过调节反应物浓度实现对形貌结构的控制。钛酸异丙酯与丙三醇“微乳液”在界面反应生成一层Titaniumglycerolate络合物,形成“核壳液滴”；并在减小体系总表面能的驱使作用下,“核壳液滴”通过"Ostwald ripening"过程形成TiO2多空心球。将TiO2多空心球作为DSSCs电极的光散射层,以P25层为染料吸附层制备双层复合结构薄膜电极。由于多空心球具有多级空心结构且相互之间紧密堆积,显著提高了电极薄膜的光利用率及电解质的扩散速率,因此所组装的电池器件效率达8.25%,对比基于P25单层电极的电池提高了43%。本文对基于微衬底的电极结构设计进行了初步探讨。采用化学溶池沉积法,以ZnO纳米片作为微基板,通过在其表面沉积一层具有高度(002)晶面取向的ZnO纳米晶种子层,在纳米片上垂直有序生长ZnO纳米棒阵列,形成ZnO纳米棒-纳米片复合结构薄膜。通过调节反应时间及氨水浓度,实现了对ZnO纳米棒的取向、尺寸等的可控。所制备的ZnO纳米棒-纳米片复合结构薄膜较纯ZnO纳米片薄膜显示出了更好的光学性能,且随着ZnO纳米棒尺寸的增加,对应ZnO纳米棒-纳米片复合薄膜的发光强度逐渐增强。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章文献综述  12-33
  1.1 研究背景  12-15
  1.2 染料敏化太阳能电池  15-23
    1.2.1 染料敏化太阳能电池基本结构及原理  16-18
    1.2.2 染料敏化太阳能电池的性能指标  18-19
    1.2.3 纳米晶半导体电极薄膜  19-21
    1.2.4 染料敏化剂  21
    1.2.5 电解质体系  21-22
    1.2.6 对电极  22-23
  1.3 纳米晶半导体光阳极薄膜研究进展  23-31
    1.3.1 纳米晶半导体晶型结构影响  23
    1.3.2 纳米晶半导体掺杂、表面包覆影响  23-25
    1.3.3 纳米晶形貌结构影响  25-28
    1.3.4 散射层影响  28-29
    1.3.5 一维结构有序阵列薄膜  29-30
    1.3.6 三维结构薄膜  30-31
  1.4 选题意义和研究内容  31-33
第二章一维单晶纳米TiO_2的制备及光电性能  33-54
  2.1 前言  33
  2.2 实验部分  33-35
    2.2.1 实验原料和设备  33-34
    2.2.2 实验过程  34-35
  2.3 材料表征  35
  2.4 光阳极薄膜制备、电池组装及光伏性能测试  35-37
    2.4.1 光阳极薄膜的制备  35-36
    2.4.2 铂对电极的制备  36
    2.4.3 染料敏化太阳能电池的组装  36
    2.4.4 电极薄膜染料吸附量的测定  36
    2.4.5 光伏性能测试  36-37
  2.5 结果与讨论  37-53
    2.5.1 TiO_2纳米棒的合成及结构特性  37-38
    2.5.2 前驱体预水热时间的影响  38-39
    2.5.3 TiO_2去顶八面体的合成及结构特性  39-41
    2.5.4 TiO_2纳米棒/去顶八面体的光电性能  41-46
    2.5.5 TiO_2纳米梭的合成及结构特性  46-48
    2.5.6 TiO_2纳米梭的成形机理  48-49
    2.5.7 TiO_2纳米梭的光电性能  49-53
  2.6 本章小结  53-54
第三章介孔TiO_2的制备及光电性能  54-70
  3.1 前言  54
  3.2 实验部分  54-55
    3.2.1 实验原料和设备  54-55
    3.2.2 实验过程  55
  3.3 材料表征  55-56
  3.4 光阳极薄膜制备、电池组装及光伏性能测试  56
  3.5 结果与讨论  56-69
    3.5.1 介孔TiO_2聚集体的合成及结构特性  56-58
    3.5.2 介孔TiO_2聚集体的孔径尺寸控制  58-60
    3.5.3 介孔TiO_2聚集体的的光电性能  60-63
    3.5.4 介孔TiO_2纳米棒的合成及结构特性  63-65
    3.5.5 介孔TiO_2纳米棒的成形机理  65-66
    3.5.6 介孔TiO_2纳米棒的光电性能  66-69
  3.6 本章小结  69-70
第四章多级空心结构球形TiO_2的制备及光电性能  70-86
  4.1 前言  70-71
  4.2 实验部分  71
    4.2.1 实验原料和设备  71
    4.2.2 实验过程  71
  4.3 材料表征  71-72
  4.4 光阳极薄膜制备、电池组装及光伏性能测试  72
  4.5 结果与讨论  72-84
    4.5.1 TiO_2多空心球的合成及结构特性  72-74
    4.5.2 TiO_2多空心球的尺寸可控合成  74-76
    4.5.3 TiO_2多空心球的成形机理  76-81
    4.5.4 TiO_2多空心球的光电性能  81-84
  4.6 本章小结  84-86
第五章一维/三维纳米ZnO薄膜的制备及光学性能  86-101
  5.1 前言  86-87
  5.2 ZnO纳米棒阵列的制备  87-88
    5.2.1 实验原料及设备  87
    5.2.2 实验路径  87-88
    5.2.3 材料表征  88
  5.3 结果与讨论  88-93
    5.3.1 ZnO种子层的制备及结构特性  88
    5.3.2 ZnO纳米棒阵列的制备及结构特性  88-89
    5.3.3 不同反应条件对ZnO纳米棒阵列的影响  89-91
    5.3.4 ZnO纳米棒阵列的生长机理  91-93
  5.4 ZnO纳米棒-纳米片复合结构薄膜的制备  93
    5.4.1 实验原料及设备  93
    5.4.2 实验过程  93
    5.4.3 材料表征  93
  5.5 结果与讨论  93-100
    5.5.1 ZnO纳米片的制备  93-94
    5.5.2 ZnO纳米片种子层薄膜的制备  94
    5.5.3 ZnO纳米棒-纳米片复合结构薄膜的制备  94-96
    5.5.4 ZnO纳米棒-纳米片复合薄膜的结构控制  96-97
    5.5.5 ZnO纳米棒-纳米片复合薄膜的形成机理  97-98
    5.5.6 ZnO纳米棒-纳米片复合薄膜的光学性能  98-100
  5.6 本章小结  100-101
第六章全文总结及课题延伸  101-103
  6.1 全文总结  101-102
  6.2 课题延伸  102-103
参考文献  103-120
致谢  120-121
附录  121

纳米氧化钛光阳极材料控制合成与薄膜结构优化

内容摘要

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