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基于金属氧化物光阳极的染料敏化太阳能电池研究

作　者: 商光禄
导　师: 吴季怀
学　校: 华侨大学
专　业: 化学
关键词: 染料敏化太阳能电池 SnO2纳米棒 SnO2介孔球片状SnO2微球线状TiO2微球
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

最近几年，染料敏化太阳能电池（DSSC）引起了广泛的关注，作为绿色能源的替代者，它具有价格便宜，生产工艺简单和无污染等优点，未来有望成为绿色能源的主导。DSSC的核心组成部件是光阳极，它起着传输电子和吸附染料的作用。作为宽禁带金属氧化物，TiO₂组装的DSSC表现出较高的光电转换效率从而得到广泛的应用。但是，由于TiO₂对染料降解有催化作用，电子传输慢，从而导致载流子在传输过程复合等问题阻碍了DSSC的发展。其他半导体氧化物，如ZnO，Nb₂O₅和SnO₂因有望取代TiO₂而成为一种新的光阳极。相对于TiO₂，SnO₂具有更快的电子传输能力,而且，SnO₂的带隙宽度比TiO₂大，可最大限度的减小染料在紫外-可见光照射下的降解，使DSSC具有更长的寿命。本文合成了SnO₂纳米棒，SnO₂介孔球，片状SnO₂微球和线状TiO₂微球，采用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜和比表面积分析仪对样品的晶相、形貌、比表面积和孔径分布进行了表征。将合成的SnO₂纳米棒，SnO₂介孔球，片状SnO₂微球和线状TiO₂微球分别制备成光阳极并将其组装成DSSC，采用电化学工作站测量电池的光电性能。本文主要研究内容及结果如下：（1）以三水锡酸钠为锡源，通过水热法合成了尺寸均匀的SnO₂纳米棒。其直径范围在40⁸0nm之间，长度在200nm左右，为纯的金红石型材料。由于一维结构的氧化物表现出较快的电子传输性能和较低的载流子复合几率，由SnO₂纳米棒组装的DSSC光电转换效率达到1.21%，明显高于SnO₂纳米颗粒电池。为了进一步抑制电子在薄膜传输过程中的复合，利用TiO₂对薄膜电极进行修饰。结果发现，TiO₂能有效地抑制暗电流，从而提高了SnO₂纳米棒基DSSC的光电转换效率。（2）以硫酸亚锡为锡源，成功合成了SnO₂介孔球，SEM图片显示该微球的尺寸在100⁸00nm之间并且由许多纳晶紧密聚集而成。相比于SnO₂纳米颗粒，SnO₂介孔球具有如下优点：首先，介孔球较大的尺寸使薄膜具有更强的光散射性能；其次，紧密堆砌的SnO₂纳晶颗粒使SnO₂介孔球具有更快的电子传输速度，从而有效抑制了载流子的复合；最后，SnO₂介孔球较大的比表面积提高了染料的吸附量。基于上述优点，由SnO₂介孔球组装的DSSC的光电转换效率达到1.26%，比SnO₂纳米颗粒基DSSC提高了27.3%。（3）以氯化亚锡为锡源，采用水热法合成了片状SnO₂微球。所合成的样品呈球状并且由许许多多的纳米片堆砌而成，球径在1⁴μm之间。由于这种特殊的结构，片状SnO₂微球具有优异的电子传输性能和光散射性能。利用四氯化钛溶液的水解制备了TiO₂SnO₂复合膜，有效减小了暗电流，从而改善了电池的光电性能。以复合膜组装的DSSC的光电效率高达4.55%，比未经修饰的片状SnO₂微球电池提高了近2倍。（4）以钛酸四丁酯为钛源，通过水热法合成了线状TiO₂微球。所合成的样品是由直径约10nm的纳米线紧密连接而成，其比表面积高达112m2·g1，平均球径约为3μm，呈介孔结构。由于这种特殊的结构，线状TiO₂微球具有优异的染料吸附性能和光散射性能。使用线状TiO₂微球和TiO₂纳米颗粒两种尺寸的TiO₂制备双层结构的光阳极，并将其应用于DSSC中。结果发现，这种双层结构的DSSC的光电转换效率高达7.31%，比TiO₂纳米颗粒电池和线状TiO₂微球电池分别提高了10.1%和13.1%。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
第1章绪论  12-26
  1.1 前言  12-13
  1.2 DSSC 结构和工作原理  13-16
    1.2.1 DSSC 基本结构  13-15
    1.2.2 DSSC 工作原理  15-16
  1.3 DSSC 光阳极研究进展  16-20
    1.3.1 金属氧化物电极材料  16-17
    1.3.2 具有核壳结构光阳极  17
    1.3.3 一维结构光阳极  17-19
    1.3.4 具有三维层次结构的光阳极  19-20
  1.4 DSSC 敏化剂研究进展  20-22
    1.4.1 金属配合物  20-21
    1.4.2 卟啉类和酞菁类  21
    1.4.3 天然染料  21-22
    1.4.4 量子点  22
  1.5 DSSC 电解质研究进展  22-23
    1.5.1 液态电解质  22
    1.5.2 固态电解质  22-23
  1.6 本论文的研究内容及意义  23-26
第2章 SnO_2纳米棒的制备及其在 DSSC 中的应用  26-36
  2.1 引言  26
  2.2 实验  26-28
    2.2.1 实验药品及仪器  26-27
    2.2.2 SnO_2纳米棒的合成  27
    2.2.3 SnO_2浆体的制备  27
    2.2.4 DSSC 光阳极的制备  27-28
    2.2.5 样品表征  28
    2.2.6 DSSC 组装及光电性能测试  28
  2.3 结果与分析讨论  28-34
    2.3.1 晶体结构与形貌分析  28-30
    2.3.2 DSSC 光电性能  30-31
    2.3.3 电化学阻抗分析  31-33
    2.3.4 光阳极的修饰  33-34
  2.4 本章小结  34-36
第3章 SnO_2介孔球的制备及其在 DSSC 中的应用  36-46
  3.1 引言  36-37
  3.2 实验  37-38
    3.2.1 实验药品及仪器  37
    3.2.2 SnO_2介孔球的制备  37
    3.2.3 SnO_2浆体的制备  37
    3.2.4 DSSC 光阳极的制备  37
    3.2.5 样品表征  37-38
    3.2.6 DSSC 组装及光电性能测试  38
  3.3 结果与分析讨论  38-45
    3.3.1 晶体结构分析  38-39
    3.3.2 形貌及微观结构分析  39
    3.3.3 BET 比表面积和孔径分布  39-40
    3.3.4 光阳极漫反射光谱分析  40-41
    3.3.5 光阳极染料吸附量分析  41-42
    3.3.6 DSSC 光电性能  42
    3.3.7 电化学阻抗分析  42-43
    3.3.8 光阳极的修饰  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第4章片状 SnO_2微球的制备及其在 DSSC 中的应用  46-56
  4.1 引言  46
  4.2 实验  46-48
    4.2.1 实验药品及仪器  46
    4.2.2 片状 SnO_2微球的制备  46-47
    4.2.3 SnO_2浆体的制备  47
    4.2.4 DSSC 光阳极的制备  47
    4.2.5 样品表征  47
    4.2.6 DSSC 组装及光电性能测试  47-48
  4.3 结果与分析  48-54
    4.3.1 晶体结构分析  48
    4.3.2 形貌及微观结构分析  48-49
    4.3.3 比表面积及孔径分布  49-50
    4.3.4 光阳极的修饰  50-51
    4.3.5 DSSC 光电性能  51-52
    4.3.6 光阳极漫反射光谱分析  52-53
    4.3.7 电化学阻抗分析  53-54
  4.4 本章小结  54-56
第5章线状 TiO_2微球的制备及其在 DSSC 中的应用  56-66
  5.1 引言  56
  5.2 实验  56-58
    5.2.1 实验药品及仪器  56
    5.2.2 线状 TiO_2微球浆体的制备  56-57
    5.2.3 TiO_2纳米颗粒浆体的制备  57
    5.2.4 DSSC 光阳极的制备  57
    5.2.5 样品表征  57-58
    5.2.6 DSSC 组装及光电性能测试  58
  5.3 结果与分析  58-65
    5.3.1 晶体结构分析  58
    5.3.2 形貌及微观结构分析  58-59
    5.3.3 比表面积及孔径分布  59-60
    5.3.4 光阳极漫反射光谱分析  60-61
    5.3.5 光阳极染料性能分析  61
    5.3.6 电化学阻抗分析  61-63
    5.3.7 DSSC 光电性能  63-64
    5.3.8 IPCE 分析  64-65
  5.4 本章小结  65-66
第6章总结  66-68
参考文献  68-76
致谢  76-78
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果  78

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