自组装合成介孔氧化硅材料的形貌研究及其光伏应用

论文摘要

自组装介孔二氧化硅材料具有特殊的结构优势,包括高比表面,有序的孔道结构和在纳米尺度上精确可控的介观构象和结构参数等。这类材料有望在太阳能电池、光催化、传感器等领域取得广泛的应用。本论文在极稀表面活性剂体系下,通过调节反应物浓度,共溶剂种类等,对合成的介孔氧化硅的微观形貌和结构进行了系统研究。在形貌研究的基础上,将控制合成的单分散纳米介孔氧化硅和双连续相介孔氧化硅作为液态电解质的无机胶凝材料成功的应用到染料敏化太阳能电池领域。主要内容和成果是:在极稀表面活性剂体系中,利用自组装方法合成了小尺寸纳米介孔氧化硅,通过调节反应物浓度,能够在较大范围内控制产物的尺寸（10～100nm）和形貌（单分散小球或连续结构）,同时产物具有比表面积高,热稳定性良好等特点。指出纳米尺度介孔氧化硅颗粒的形成与单体硅酸根低聚物和表面活性剂的自组装作用相关。在水-油双相体系下,系统研究了自组装合成的介孔氧化硅材料的形貌特点和结构分类。分别对水-乙醚,水-乙醇体系下合成的氧化硅形貌和反应物条件之间的关系进行了讨论,提出形貌生成的机理。指出表面活性剂堆积因子g的变化以及油水两相在剧烈搅拌过程中产生的非平衡态界面是导致产物的形貌和结构具有多样性的原因。在水-乙醚体系中,利用嵌段共聚物F127作为表面活性剂,合成出新型具有分级结构的双连续相介孔氧化硅材料。材料具有多级孔道结构,将利用该材料制备的复合凝胶电解质分别应用于染料敏化太阳能电池和锂离子电池中,结果显示,准固态电解质具有10-3S·cm-1数量级的离子电导率,同时具有良好的机械强度。将小尺寸介孔氧化硅颗粒作为无机添加剂应用到染料敏化太阳能电池凝胶电解质中,探讨了其颗粒尺寸和形貌对电解质电化学性能的影响。对掺杂氧化硅的聚合物凝胶电解质的导电增强机制进行了简单模拟。利用这种颗粒得到的准固态DSSC的光电转化效率比没有使用介孔氧化硅颗粒固化的电解质的效率提高44%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 具有纳米结构的自组装介孔材料
• 1.1.1 介孔材料
• 1.1.2 介孔氧化硅材料的结构与表征
• 1.1.3 氧化硅介孔材料的形貌控制
• 1.2 染料敏化太阳能电池
• 1.2.1 染料敏化太阳能结构与工作原理
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的发展及研究现状
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池中的准固态电解质
• 1.3 项目设计思路和研究意义
• 1.4 论文各部分的内容
• 第2章 极稀体系下纳米氧化硅介孔材料的合成研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 原料试剂及器材设备
• 2.2.2 合成路线
• 2.2.3 表征及检测方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纳米氧化硅介孔材料的结构与形貌表征
• 2.3.2 机理讨论
• 2.4 本章小结
• 第3章 水-共溶剂体系下自组装介孔氧化硅的形貌研究.
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 原料试剂及器材设备
• 3.2.2 合成路线
• 3.2.3 表征及检测方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 水-乙醚二元体系合成介孔氧化硅的形貌研究
• 3.3.2 水-乙醇二元体系合成介孔氧化硅的形貌研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 双连续相介孔氧化硅材料合成及在电池方面的应用
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 原料试剂及器材设备
• 4.2.2 材料合成与电池制备方法
• 4.2.3 表征及检测方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 透射电子显微镜分析
• 4.3.2 扫描电子显微镜
• 4.3.3 热失重分析
• 4.3.4 氮气吸脱附测试和孔分布结果分析
• 4.3.5 可能的形成机理
• 4.3.6 BCMS 复合凝胶电解质应用于电池方面的初探
• 4.4 本章小结
• 第5章 介孔氧化硅复合PEO 基凝胶电解质及其光伏应用
• 5.1 引言
• 5.2 氧化硅介孔颗粒对CPE 电导增强的简单模拟
• 5.2.1 聚合物凝胶电解质中的离子传导
• 5.2.2 多聚物导电机制的各种理论
• 5.2.3 建模
• 5.2.4 结果和讨论
• 5.3 实验材料与方法
• 5.3.1 原料试剂及器材设备
• 5.3.2 材料合成与电池制备方法
• 5.3.3 表征及测试方法
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 无机添加颗粒的形貌和结构表征
• 5.4.2 无机颗粒复合PEO 基凝胶电解质的交换电流密度
• app)的影响'>5.4.3 介孔氧化硅颗粒对扩散系数(D_app)的影响
• 5.4.4 不同形貌和尺寸的氧化硅颗粒对准固态DSSCs 光电性能的影响
• 5.4.5 颗粒形貌和尺寸对准固态DSSCs 暗电流的影响.
• 5.4.6 氧化硅介孔颗粒对聚合物凝胶电解质离子电导率增强机理
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果