TiO2纳米晶多孔薄膜光阳极的合成及其光电转换性能研究

论文摘要

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells,简称DSSCs）是一种新型太阳能电池,因其制作成本低、工艺简单、光电转换效率高等优点而成为国内外竞相研究的热点。本论文分别采用水热法、溶胶-凝胶法合成了TiO2纳米晶与TiO2致密薄膜,将所合成的纳米晶与致密薄膜用于制备TiO2薄膜光阳极,并组装成染料敏化太阳能电池。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、台阶仪、紫外-可见分光光度计对TiO2纳米晶粒的晶体结构、多孔薄膜的表面形貌、薄膜厚度和光学吸收性能进行表征,并采用模拟太阳光和伏安曲线扫描法对电池的光伏性能进行检测。研究了纳米晶的晶体结构与表面形貌、薄膜厚度、致密层对光阳极光电转化性能的影响规律,主要内容如下：以钛酸丁酯为原料,在水热过程中分别加入不同质量分数的聚乙二醇2000和聚乙二醇600合成TiO2纳米晶。发现聚乙二醇的加入抑制了锐钛矿型TiO2纳米晶粒的生长,促进了金红石型晶粒的生长；当PEG2000的含量为5%时,用不添加4一叔丁基吡啶的电解质体系组装的电池的光电转换效率为2.86%；聚乙二醇600的含量为10%时开始出现金红石相,在含量为1%时制备的薄膜电极性能最好,光电效率为1.85%；适量的PEG浓度有助于光阳极光电性能的提高。研究薄膜厚度对光阳极光电转换性能的影响规律。随着薄膜厚度的增加,光阳极的光学吸收率首先快速增加,然后变化缓慢；电池的短路电流密度、开路电压先增加后减小,填充因子则持续下降,电池的光电转换效率先增加,在10.12μm时达到最高,然后略有下降。因此,对于有特定纳米晶材料构成的光阳极而言,存在一个最佳的薄膜厚度。采用溶胶-凝胶法在纳米晶多孔薄膜与衬底之间添加TiO2致密薄膜,发现致密薄膜的引入提高了染料敏化太阳能电池的开路电压与填充因子,但是随着致密层薄膜厚度的增加填充因子减小。当溶胶浓度为0.15mol/L,致密层薄膜的厚度为3层时,在AM1.5（100mW/cm2）光照下电池的光电转换性能达到最高,为3.21%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳能电池
• 1.2 染料敏化太阳能电池
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理
• 1.2.2 宽禁带半导体纳米晶多孔薄膜光阳极
• 1.2.3 染料分子
• 1.2.4 电解质
• 1.2.5 对电极
• 1.3 纳米晶多孔薄膜光阳极的改性研究
• 1.3.1 金属离子掺杂
• 1.3.2 复合其他氧化物薄膜
• 1.3.3 表面修饰
• 1.3.4 阻挡层
• 1.4 本论文的主要研究意义及内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 DSSCs的组装及性能表征方法
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2多孔薄膜电极的合成与DSSCs的组装'>2.2 TiO₂多孔薄膜电极的合成与DSSCs的组装
• 2多孔薄膜电极的合成'>2.2.1 TiO₂多孔薄膜电极的合成
• 2.2.2 DSSCs的制备
• 2薄膜的制备'>2.3 致密TiO₂薄膜的制备
• 2.3.1 溶胶-凝胶法的基本原理
• 2溶胶的配制'>2.3.2 TiO₂溶胶的配制
• 2薄膜的结构、形貌与光学性质表征'>2.4 TiO₂薄膜的结构、形貌与光学性质表征
• 2.4.1 晶体结构的表征方法
• 2.4.2 表面形貌的表征方法
• 2.4.3 薄膜厚度的测试方法
• 2.4.4 透射光谱和吸收光谱的检测方法
• 2.5 DSSCs的光电转换性能测试
• 2.5.1 模拟太阳光
• 2.5.2 性能参数
• 2.6 本章小结
• 2纳米晶多孔薄膜'>第三章 聚乙二醇共水热合成TiO₂纳米晶多孔薄膜
• 2薄膜的合成'>3.1 TiO₂薄膜的合成
• 2纳米晶的水热合成及多孔薄膜的制备'>3.1.1 TiO₂纳米晶的水热合成及多孔薄膜的制备
• 3.1.2 DSSCs的组装以及性能表征
• 3.2 PEG2000含量对薄膜性能的影响
• 2纳米晶的晶体结构'>3.2.1 TiO₂纳米晶的晶体结构
• 2多孔薄膜的表面形貌'>3.2.2 TiO₂多孔薄膜的表面形貌
• 2薄膜的吸收光谱'>3.2.3 TiO₂薄膜的吸收光谱
• 2光阳极的光电转换性能'>3.2.4 TiO₂光阳极的光电转换性能
• 2薄膜性能的影响'>3.3 PEG600含量对TiO₂薄膜性能的影响
• 2纳米晶的晶体结构'>3.3.1 TiO₂纳米晶的晶体结构
• 3.3.2 表面形貌
• 3.3.3 吸收光谱
• 2光阳极的光电转换性能'>3.3.4 TiO₂光阳极的光电转换性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 薄膜厚度对光阳极光电转换性能的影响
• 4.1 薄膜厚度对光阳极光电转换性能的影响
• 4.1.1 吸收光谱
• 4.1.2 薄膜厚度对电池性能参数的影响
• 4.2 4-叔丁基吡啶对电池光电性能的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 致密层对光阳极光电转换性能的影响
• 5.1 样品的制备
• 5.2 溶胶浓度对光阳极光电性能的影响
• 5.2.1 晶体结构
• 5.2.2 吸收光谱
• 2致密薄膜的表面形貌'>5.2.3 TiO₂致密薄膜的表面形貌
• 5.2.4 溶胶浓度对光阳极光电转换性能的影响
• 5.3 致密层厚度对光阳极光电转换性能的影响
• 5.3.1 吸收光谱
• 5.3.2 光电转换性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文研究工作总结
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的论文