染料敏化太阳能电池光阳极研究和一种新型光电化学紫外光探测器

论文摘要

染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells,DSSCs）具有转换效率高、制作工艺简单、成本低廉和对环境友好等优点,被视作下一代太阳能电池的替代者。然而传统的TiO2纳米多孔电极在载流子复合和光生电子传输上的不足限制了电池效率的进一步提高。本论文着眼于DSSCs研究中的瓶颈问题,用电喷涂和电纺丝技术对其光阳极进行了改进研究,主要工作如下：1.以商用的P25TiO2（?）内米粉为原料,用电喷涂技术制备了TiO2纳米多孔电极。通过改变喷涂距离,我们调控了电极的结构和形貌,并研究了其对DSSCs性能的影响。在喷涂距离6cm时得到了最大的短路光电流密度（Jsc）,并显著提高了电池的能量转换效率。短路光电流的增大是由于电喷涂制备的薄膜解决了传统的Ti02次级小球薄膜电极电子传输能力不足的问题,同时具有优异的光散射性能和构建了高效的电解液离子扩散通道。2.我们用电纺丝技术首次在FTO基底上制备了透明的Ti02纳米晶膜,该制备基于前驱体溶液中加入的适量的三乙醇胺和较大的空气湿度综合作用下的纺丝纤维向薄膜的原位转变过程。用光致发光技术研究发现,电纺丝制备的Ti02纳米晶膜具有丰富的体内氧空位缺陷（bulk oxygen vacancies, BOVs,对应的PL峰位于621-640nm）。与此相对的是使用相同的前驱体溶液用旋涂法制备的薄膜的优势缺陷为表面氧空位缺陷（surface oxygen vacancies, SOVs,对应的PL峰位于537-555nm）。测试电池性能发现,丰富的BOVs显著提高了DSSCs的开路电压和填充因子,进而显著提高了能量转换效率。传统的紫外光探测器是基于半导体材料的光电导效应工作的。此种类型的探测器受材料表面空穴陷阱的作用,分别在无光照和有光照时吸附和解吸附氧气分子,导致其响应时间一般>1s,严重限制了其应用。本论文在DSSCs研究的基础上,将未经染料分子敏化的光电化学电池（PECC）应用于紫外探测。得到了高的光敏感度,快速的时间响应和稳定的探测性能。具体工作如下：1.用未经敏化的Ti02纳米晶（TiO2NC）电极、含I-/I3-氧化还原电对的电解液和镀Pt的对电极封装成“三明治”结构的光电化学电池。将该电池和电流表串联,无需外加能源（0偏压,自供能）即可用该电池的Jsc信号对紫外光强度进行快速、高敏感度和稳定的探测。在紫外光照射下,该自供能紫外光探测器的光敏感度高达0.38安培每瓦特,开关比高达2698,短路电流信号的开启时间为0.08秒,衰减时间为0.03秒,远优于基于光电导效应的紫外光探测器。2.传统的TiO2NC膜由于存在大量的晶界导致载流子复合损失严重;TiO2材料自身的电子迁移率相对较低,导致电子传输较慢。针对该问题,我们设计和制作了由电纺丝制备的一维SnO2纳米线网络和生长于其上的TiO2纳米针状结构组成的树枝状TiO2/SnO2异质结结构电极,该电极为PECC型自供能紫外光探测器提供了一种高效的电极结构模式。这是由于该电极同时具有低的载流子复合速率和快速而直接的电子传输通道。在不修正掺氟二氧化锡基底（FTO）对入射光高达64.5%的散射和吸收的条件下,异质结结构电极对330纳米紫外光的能量转换效率达到了14.7%,是TiO2NC （6.4%）基PECC的两倍以上。在紫外光照射下,该自供能紫外光探测器的光敏感度高达0.6安培每瓦特,开关比高达4550,短路电路信号的开启时间为0.03秒,衰减时间为0.01秒。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 染料敏化太阳能电池（DSSCs）
• 1.1.1 染料敏化太阳能电池的结构和原理
• 1.1.2 染料敏化太阳能电池的发展历程
• 1.1.3 染料敏化太阳能电池光阳极的研究现状和遇到的问题
• 1.2 紫外光探测器
• 1.2.1 基于光电导效应的紫外光探测器
• 1.2.2 自供能紫外光探测器
• 1.2.3 基于光电化学电池的自供能紫外光探测器
• 参考文献
• 第二章 纳米材料制备技术、表征方法和器件封装、测试
• 2.1 纳米材料制备技术
• 2.1.1 高压静电纺丝技术（electrospinning）
• 2.1.2 高压静电喷涂技术（electrospraying）
• 2.1.3 旋转涂覆技术（spin-coating technique）
• 2.1.4 刮刀涂覆技术（doctor-blade technique）
• 2.1.5 滴涂干燥法（drop-drying）
• 2.2 材料表征方法
• 2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.2.3 X射线衍射（XRD）
• 2.2.4 激光拉曼散射（Raman）
• 2.2.5 光致发光谱（PL）
• 2.3 器件的测试和分析方法
• 2.3.1 伏安特性曲线（I-V）
• 2.3.2 电化学交流阻抗谱（EIS）
• 2.3.3 开路电压衰减技术（OCVD）
• 2.3.4 瞬态光电流
• 参考文献
• 2纳米颗粒基DSSC电极结构'>第三章 电喷涂技术调控TiO₂纳米颗粒基DSSC电极结构
• 2纳米颗粒电极结构'>3.1 高压静电喷涂技术调控TiO₂纳米颗粒电极结构
• 3.1.1 实验过程
• 2光阳极的结构'>3.1.2 电喷涂技术调控TiO₂光阳极的结构
• 3.2 电极结构对DSSC性能的影响
• 3.2.1 喷涂距离对DSSC性能的影响
• 3.2.2 DSSC性能提高的机理研究
• 3.2.3 双层电极DSSC——两种方法优点的结合
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 2纳米晶膜和体内氧空位缺陷对DSSCs光伏特性的影响'>第四章 电纺丝制备透明的TiO₂纳米晶膜和体内氧空位缺陷对DSSCs光伏特性的影响
• 2纳米晶膜'>4.1 电纺丝制备透明的TiO₂纳米晶膜
• 4.1.1 实验部分
• 2纳米晶膜的表征'>4.1.2 TiO₂纳米晶膜的表征
• 2纳米晶膜的形成机理'>4.1.3 电纺丝制备透明的TiO₂纳米晶膜的形成机理
• 2膜的缺陷类型'>4.1.4 光致发光谱（PL）研究TiO₂膜的缺陷类型
• 4.2 体内氧空位缺陷（BOVs）对DSSC光伏特性的影响
• 4.2.1 BOVs提高DSSCs的开路电压和填充因子
• 4.2.2 BOVs提高DSSC性能的机理研究
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于光电化学电池的自供能紫外光探测器
• 5.1 光电化学型紫外光探测器（PECC）的结构和原理
• 5.1.1 器件结构和工作原理
• 5.1.2 器件制备过程和表征方法
• 5.1.3 工作电极表征
• 5.2 紫外光探测性能
• 5.2.1 光伏特性
• 5.2.2 时间响应特性
• 5.2.3 光谱响应特性
• 5.2.4 线性输入-输出特性
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 2-TiO₂树枝状异质结自供能紫外光探测器'>第六章 SnO₂-TiO₂树枝状异质结自供能紫外光探测器
• 2/SnO₂异质结电极的制备、形成机理和表征'>6.1 树枝状TiO₂/SnO₂异质结电极的制备、形成机理和表征
• 2纳米线的制备和表征'>6.1.1 SnO₂纳米线的制备和表征
• 2/SnO₂异质结电极的制各和表征'>6.1.2 TiO₂/SnO₂异质结电极的制各和表征
• 2/SnO₂异质结电极的形成机理'>6.1.3 TiO₂/SnO₂异质结电极的形成机理
• 6.1.4 封装和表征方法
• 2/SnO₂异质结电极的光伏特性'>6.2 树枝状TiO₂/SnO₂异质结电极的光伏特性
• 6.2.1 膜厚的优化研究
• 2 NF电极光伏性能的提高和解释'>6.2.2 B-SnO₂NF电极光伏性能的提高和解释
• 2/SnO₂异质结紫外光探测性能'>6.3 树枝状TiO₂/SnO₂异质结紫外光探测性能
• 6.3.1 光谱响应特性
• 6.3.2 时间响应特性
• 6.3.3 线性输入输出特性
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 下一步工作计划
• 在学期间的研究成果
• 致谢