反胶团微乳液法制备染料敏化太阳能电池光电极TiO2薄膜

论文摘要

染料敏化太阳能电池（DSC）是一种新型的光电化学太阳能电池，与半导体太阳能电池相比，具有成本低、制备工艺简单、环境友好等优点，引起各国研究者的广泛的关注。染料敏化TiO2多孔薄膜光电极是DSC的核心部分，国内外关于DSC光电极TiO2薄膜的制备方法主要有：溶胶凝胶法、水热合成法、粉末涂敷法、电化学沉积法等多种方法。这些制备方法主要存在两个问题：（1）很难控制纳米颗粒团聚，难以获得高分散的纳米颗粒；（2）获得高纯度的锐钛矿型纳米TiO2的工艺比较复杂。因而研究一种工艺简单、颗粒分散性好、能有效避免常规方法难以获得高纯度的锐钛矿型纳米TiO2的缺陷的方法，非常具有理论和实际意义。本文主要研究了四氢呋喃（THF）改性CTAB／水／正丁醇／环己烷的反胶团微乳液体系制备非晶态TiO2多孔薄膜，及其作为DSC光电极薄膜的光电性能。探讨了所采用的CTAB／水／正丁醇／环己烷反胶团微乳液体系各参数，如反应物浓度、表面活性剂分子膜柔性、反应温度和颗粒熟化，对非晶态TiO2多孔薄膜的微观结构形态和光电转换性能的影响；以及THF对CTAB／水／正丁醇／环己烷微乳液体系的改性作用机理和对非晶态TiO2多孔薄膜的微观结构形态和光电转换性能的影响。研究结果表明：以水／环己烷／CTAB／正丁醇／THF为1：4：0．6：0．6：2．7-5．4的质量比例混合成五组分微乳液，“钛源”／水的体积比为1：1，将所制备的TiO2胶体前驱液熟化10天，所制备的纳米非晶态TiO2多孔薄膜微观结构为最佳状态，光电转换性能较好。THF对水／环己烷／CTAB／正丁醇反胶团微乳液体系制备TiO2多孔薄膜的改性机理的探究发现，THF的作用在于：在水解前，将微乳液中作为微型反应器的反胶团先行分散，避免了常规微乳液体系中因胶团的数量和浓度通常较大，而引起的反胶团聚集；在水解反应后，能够使水合TiO2颗粒保持有一定的距离，可以避免在干燥烧结过程中因距离太近而造成薄膜破裂等不良后果。为了证明非晶态TiO2薄膜用于DSC是个有效的组件，本研究用DSC光电极薄膜常用制备方法之一——粉末涂敷法，制备出晶态的纳米TiO2多孔薄膜光电极。比较分析了非晶态TiO2薄膜与纳米晶TiO2薄膜的微观性能，以及两者作为光电极的光电转换性能的异同。研究结果表明：THF改性的反胶团微乳液体系制备出均匀非晶态TiO2薄膜，薄膜中TiO2颗粒呈完整球形、粒径分布均匀、平均粒径为20nm，其能像用P25粉体制备的纳米晶态薄膜一样，颗粒相互连接形成网络结构，得到多孔薄膜，能满足DSC光电极材料高比表面积和多孔性的要求。把这种非晶态TiO2薄膜应用于DSC，其光电转换效率达到4．68％；在同样的测试条件下，其与用P25纳米晶粉体制备的光电极薄膜的光电转换效率4．65％相当，改善了非晶态TiO2薄膜作为DSC光电极材料的低效状况，证明了本研究制备的非晶态TiO2薄膜能有效地用于DSC。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 染料敏化太阳能电池
• 1.1.1 染料敏化太阳能电池的研究进展
• 1.1.2 染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理
• 1.1.3 关于染料敏化纳米晶太阳能电池的性能指标
• 2薄膜'>1.2 染料敏化太阳能电池光电极TIO₂薄膜
• 2多孔薄膜的制备方法'>1.3 TIO₂多孔薄膜的制备方法
• 1.4 微乳液
• 1.4.1 微乳液体系
• 1.4.2 微乳液的形成机理
• 1.4.3 反胶团微乳液的结构、组成及其特征参数
• 1.5 反胶团微乳液法制备无机纳米材料
• 1.5.1 反胶团微乳液法制备无机纳米材料的研究进展及优点
• 1.5.2 反胶团微乳液法制备纳米材料的方式和机理
• 1.5.3 反胶团微乳液法制备无机纳米材料的影响因素
• 2多孔薄膜存在的问题'>1.5.4 反胶团微乳液法制备纳米TiO₂多孔薄膜存在的问题
• 1.6 本课题研究的意义及内容
• 2 实验与研究方法
• 2.1 实验原料与设备
• 2.1.1 原材料
• 2.1.2 实验主要设备
• 2.2 实验方法
• 2多孔薄膜'>2.2.1 制备TiO₂多孔薄膜
• 2.2.2 染料敏化及组装电池
• 2.3 测试方法
• 2多孔薄膜的制备及影响因素'>3 非晶态TIO₂多孔薄膜的制备及影响因素
• 2多孔薄膜微观结构形态的影响'>3.1 反胶团微乳液体系对TIO₂多孔薄膜微观结构形态的影响
• 3.1.1 反应物浓度的影响
• 3.1.2 表面活性剂分子膜柔性的影响
• 3.1.3 反应温度的影响
• 3.1.4 颗粒熟化的影响
• 2多孔薄膜结构形态的影响'>3.2 THF对TIO₂多孔薄膜结构形态的影响
• 3.2.1 THF对CTAB/水/正丁醇/环己烷四组分反胶团微乳液体系稳定性的影响
• 3.2.2 THF对胶体前驱液的影响
• 2多孔薄膜结构形态的影响'>3.2.3 THF对TiO₂多孔薄膜结构形态的影响
• 3.3 本章小结
• 2多孔薄膜光电极性质研究'>4 非晶态TIO₂多孔薄膜光电极性质研究
• 2多孔薄膜光电转换性能的影响'>4.1 反胶团微乳液体系对纳米非晶态TIO₂多孔薄膜光电转换性能的影响
• 4.1.1 反应物浓度的影响
• 4.1.2 反应温度的影响
• 4.1.3 颗粒熟化的影响
• 2多孔薄膜光电转换性能的影响'>4.2 THF对纳米非晶态TIO₂多孔薄膜光电转换性能的影响
• 2薄膜光电极与纳米晶TIO₂薄膜光电极性质的比较'>4.3 非晶态TIO₂薄膜光电极与纳米晶TIO₂薄膜光电极性质的比较
• 2薄膜与纳米晶TiO₂薄膜微观性能的比较'>4.3.1 非晶态TiO₂薄膜与纳米晶TiO₂薄膜微观性能的比较
• 2薄膜与纳米晶TiO₂薄膜光电转换性能的比较'>4.3.2 非晶态TiO₂薄膜与纳米晶TiO₂薄膜光电转换性能的比较
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录