基于TiO2纳米阵列膜的染料敏化太阳电池研究

论文摘要

染料敏化太阳电池是高效率、低成本太阳电池的一个重要发展方向。在染料敏化太阳电池中，TiO2纳米结构多孔膜光阳极是电池的核心部件，制约着电池的光电流密度乃至光电转化效率。与由纳米颗粒随机构成的纳米晶膜相比，纳米阵列膜直接提供了电子传输的通道，有利于提高注入电子的收集效率，从而提高光电流密度乃至光电转化效率。在基板上直接生长TiO2阵列膜，还为制作电池提供了便利。与ZnO不同的是，四方晶系的TiO2因晶体结构的对称性而较难生长为一维纳米阵列。因此，在基板上直接生长TiO2纳米阵列并将其用于染料敏化太阳电池的研究不仅具有挑战性，而且还具有重要意义。本研究以钛酸丁酯和浓硝酸的混合水溶液为生长体系，采用一步水热合成法，直接在F掺杂氧化锡导电玻璃（FTO）基板上生长TiO2纳米阵列，并将其进行染料敏化后组装成染料敏化太阳电池。采用XRD、SEM、TEM以及HRTEM等手段对TiO2纳米阵列膜的晶相和微观形貌进行了表征，并通过测试I-V曲线评价了染料敏化太阳电池的光电转换效率。系统地考察了生长体系中浓硝酸用量、钛酸丁酯体积、反应温度、反应时间以及晶种层等工艺条件对TiO2阵列膜的微观形貌、厚度、染料吸附量乃至染料敏化太阳电池光电转换效率的影响，获得了制备TiO2纳米阵列膜的适宜工艺条件。结果表明，此水热法生长的TiO2膜为取向性金红石薄膜，结晶度良好，垂直于基底表面，在[001]方向择优生长。在100mL聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，当生长溶液中含有3mL钛酸丁酯、20mL浓HNO3和40mL去离子水，反应温度为120℃，生长时间为9小时，制备出的TiO2纳米阵列膜厚度为3.2μm，由其构成的染料敏化太阳电池的光电流密度Jsc为5.86mA/cm2，开路电压Voc为735mV，填充因子FF为53.65%，电池的光电转换效率达到了2.31%。采用水热法直接在导电玻璃基底上生长TiO2纳米阵列膜，具有无须晶种层，工艺简单易行，反应温度低，反应时间短，且不需要更换新鲜溶液进行轮次反应的特点，便于大规模化生产。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 染料敏化太阳电池概述
• 1.2.1 染料敏化太阳电池基本构造
• 1.2.2 染料敏化太阳电池工作原理
• 1.2.3 光阳极用二氧化钛薄膜的制备方法
• 1.3 基于纳米阵列膜的染料敏化太阳电池光阳极的研究进展
• 1.3.1 电泳沉积法
• 1.3.2 阳极氧化法
• 1.3.3 液相沉积法
• 1.3.4 模板辅助合成法
• 1.3.5 水热合成法
• 1.4 本课题的研究意义、主要研究内容及创新之处
• 1.4.1 本课题的研究意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.4.3 本课题主要创新之处
• 第二章 实验方法和表征手段
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 实验步骤
• 2薄膜制备'>2.2.1 取向性 TiO₂薄膜制备
• 2.2.2 染料敏化太阳电池的制备
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 XRD 表征
• 2.3.2 SEM 表征
• 2.3.3 TEM 表征
• 2.3.4 DSSCs 的光电特性表征
• 2.3.5 染料吸附量的测定
• 2.3.6 膜厚的测定
• 2.4 合成工艺流程和测试流程图
• 2纳米阵列膜及其在染料敏化太阳电池中的应用'>第三章 水热法制备 TiO₂纳米阵列膜及其在染料敏化太阳电池中的应用
• 3量对 TiO₂纳米阵列膜微观形貌的的影响'>3.1 HNO₃量对 TiO₂纳米阵列膜微观形貌的的影响
• 3.1.1 XRD 表征
• 3.1.2 SEM 表征
• 3.1.3 浓硝酸体积与膜厚、染料吸附量的关系
• 3.1.4 在染料敏化太阳电池中的应用效果
• 2纳米阵列膜微观形貌的的影响'>3.2 钛酸丁酯量对 TiO₂纳米阵列膜微观形貌的的影响
• 3.2.1 XRD 表征
• 3.2.2 SEM 表征
• 3.2.3 不同钛酸丁酯体积与膜厚、染料吸附量的关系
• 3.2.4 在染料敏化太阳电池中的应用效果
• 2纳米阵列膜微观形貌的的影响'>3.3 反应温度对 TiO₂纳米阵列膜微观形貌的的影响
• 3.3.1 XRD 表征
• 3.3.2 SEM 表征
• 3.3.3 反应温度与膜厚、染料吸附量的关系
• 3.3.4 在染料敏化太阳电池中的应用效果
• 2纳米阵列膜微观形貌的的影响'>3.4 反应时间对 TiO₂纳米阵列膜微观形貌的的影响
• 3.4.1 XRD 表征
• 3.4.2 SEM 表征
• 3.4.3 反应时间与膜厚、染料吸附量的关系
• 3.4.4 在染料敏化太阳电池中的应用效果
• 2纳米阵列膜微观形貌的的影响'>3.5 基底对 TiO₂纳米阵列膜微观形貌的的影响
• 3.5.1 XRD 表征
• 3.5.2 SEM 表征
• 3.5.3 不同基底与膜厚、染料吸附量的关系
• 3.5.4 在染料敏化太阳电池中的应用效果
• 2膜的表征及其电池效率'>3.6 最优制备条件下 TiO₂膜的表征及其电池效率
• 3.6.1 XRD 表征
• 3.6.2 SEM 和 TEM 表征
• 3.6.3 在染料敏化太阳电池中的应用效果
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件