纳米晶TiO2多孔薄膜的模板组装制备、表征及DSSC应用中的性能

论文摘要

纳米晶TiO2多孔薄膜作为重要的半导体材料,其光电化学性质研究已得到人们的广泛关注,在太阳能转换、光电子器件及光催化等方面具有重要的应用。本文采用浸渍-提拉和原位蒸发两种方法进行了PS胶晶阵列的自组装制备。通过提拉法制备PS微球胶晶时,发现升高乳液温度可以促进动态提拉下阵列的有序生长。而且适当温度时,提高乳液中PS球的体积分数可使阵列层数和有序度得到提高并抑制阵列中断裂线的产生。原位蒸发的胶晶组装是多核过程,经历了四方排列到密堆积的转变。当通过降低压强加速蒸发时,自组装更加稳定,可以在较宽压强范围内得到有序胶晶。以Ti（OBu）4为原料,P123为模板剂,HCl为水解抑制剂制备了前驱体溶胶,通过浸渍-提拉制膜后,450℃热处理3h得到介孔结构的锐钛矿相纳米晶TiO2薄膜,晶粒尺寸10nm。样品的BET比表面积和总孔体积分别为89.6m2/g和0.18cm3/g,平均孔径5.7nm。通过改变水解抑制剂,研究了介孔TiO2的微结构特征。结果表明,在HCl或AcAc-HCl双抑制剂的作用下,样品的比表面积和孔隙率较大,分别为176.3m2/g,139.2m2/g和60%,57%,证实HCl对钛源具有较强的水解抑制作用,可形成钛低聚物小团簇,从而有利于其和PEO基团的键合,形成较有序的介孔结构TiO2。采用PS胶晶/P123双模板,通过浸渍-提拉/溶胶-凝胶法成膜,450℃热处理后制备了有序大孔-介孔锐钛矿TiO2薄膜,晶粒尺寸7.4nm,光学带隙3.00eV。浸渍-提拉法灌注PS模板时,有序大孔结构的形成明显依赖于溶胶浓度。较低浓度的溶胶对PS润湿性差,导致灌注孔壁不完整。当浓度为0.13-0.15M时,大的表面张力和较小的润湿角有利于溶胶灌注,大孔结构有序度高。当浓度继续升高时,溶胶流动性变差,不利于其在PS上的铺展而导致结构有序度降低。对介孔TiO2进行金属元素Nb、Sb、Ge、Zn和Sn的掺杂,并考察其作为染料敏化太阳电池（DSSCs）n-电极的光伏性能。结果表明,与未掺杂介孔TiO2相比,Ge掺杂阳极的电池开路电压升高;Nb和Sb的施主掺杂有利于TiO2阳极中的电子传输,使短路电流增大;Sb掺杂薄膜具有较大的比表面积,有利于提高光吸收率。Ge掺杂TiO2的DSSC光电转换效率最大,为2.95%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 2 材料'>1.2 纳米TiO₂材料
• 2的结构与特性'>1.2.1 纳米TiO₂的结构与特性
• 2多孔薄膜的制备方法'>1.2.2 纳米TiO₂多孔薄膜的制备方法
• 2多孔材料的应用'>1.2.3 纳米TiO₂多孔材料的应用
• 1.3 胶体晶体（Colloidal Crystals）与有序大孔材料
• 1.3.1 胶体晶体的制备
• 1.3.2 胶体晶体的应用
• 1.4 介孔材料（Mesoporous Materials）
• 1.4.1 介孔纳米结构的合成机理
• 1.4.2 介孔材料的制备方法
• 1.4.3 介孔材料的应用
• 1.5 课题的提出
• 1.6 课题的主要创新点
• 第二章 PS胶体晶体阵列模板组装
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料及设备
• 2.2.2 方案设计与实验过程
• 2.2.3 测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 高温条件下浸渍-提拉法组装PS胶晶
• 2.3.2 原位蒸发法组装PS胶晶
• 2.4 本章结论
• 2薄膜'>第三章 P123 模板/溶胶-凝胶法制备介孔纳米晶TiO₂薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料及设备
• 3.2.2 实验方案设计
• 3.2.3 实验过程
• 3.2.4 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 2的模板组装机理'>3.3.1 介孔TiO₂的模板组装机理
• 2的表征'>3.3.2 介孔纳米晶TiO₂的表征
• 3.3.3 溶剂的影响
• 3.3.4 模板剂P123 的影响
• 3.3.5 浓HCl的影响
• 3.3.6 水解-聚合抑制剂的影响
• 3.4 本章结论
• 2薄膜'>第四章 双模板/溶胶-凝胶法制备有序大-介孔纳米晶TiO₂薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料及设备
• 4.2.2 实验方案设计
• 4.2.3 实验过程
• 4.2.4 测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PS微球和介孔钛凝胶的热分析
• 4.3.2 有序大-介孔结构的组装
• 2溶胶浓度对有序大孔形貌的影响'>4.3.3 介孔TiO₂溶胶浓度对有序大孔形貌的影响
• 2薄膜的晶体结构'>4.3.4 大-介孔TiO₂薄膜的晶体结构
• 4.3.5 大-介孔薄膜的光学特性
• 4.4 本章结论
• 2阳极的DSSC性能'>第五章 介孔纳米晶TiO₂阳极的DSSC性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料及设备
• 5.2.2 方案设计与实验过程
• 5.2.3 测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 2薄膜光阳极的DSSC性能'>5.3.1 介孔TiO₂薄膜光阳极的DSSC性能
• 2阳极膜厚提高对DSSC性能的改进'>5.3.2 TiO₂阳极膜厚提高对DSSC性能的改进
• 2薄膜及DSSC性能的影响'>5.3.3 掺杂对介孔TiO₂薄膜及DSSC性能的影响
• 5.4 本章结论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文和科研情况说明
• 致谢