TiO2半导体光阳极的掺杂与修饰

论文摘要

目前能源问题早已成为世界各国经济发展的瓶颈,而太阳能因为其具有清洁、便利、取之不尽、用之不竭的优点,已经成为二十一世纪的希望能源之一,因此作为染料敏化太阳能电池重要组成部分的TiO2薄膜电极已经引起研究人员的广泛关注。但TiO2作为染料敏化太阳能电池半导体材料还存在着对太阳能的利用率较低,对染料的吸附性能较差等问题。因此,本文为了解决以上不足之处,主要在以下两个方面进行了相关研究。首先,针对TiO2带隙较宽,只能吸收波长较短的紫外光,使得其对太阳能的利用率较低的问题,在溶胶-凝胶法制备了TiO2过程中,我们采用了Zn、Sn离子掺杂的改性方法,并通过正交试验优化出了最佳工艺。然后采用X射线衍射（XRD）,紫外可见光谱（UV-Vis）,扫描电子显微镜（SEM）及附带的能谱分析（EDS）等手段对优化后的试样进行了分析和表征。研究结果表明:Sn、Zn掺杂TiO2的最佳物质量比值为Sn1.5:Zn0.5:Ti10,溶胶-凝胶溶液最佳pH值为3;紫外-可见光吸收光谱表明掺杂TiO2的光激发波长与TiO2相比,存在37nm的红移,且可计算出掺杂TiO2和TiO2的禁带宽度分别为2.93eV和3.21eV,因此Sn、Zn掺杂TiO2的改性方法是有效可行的;另外,通过XRD衍射图谱分析可知,Sn,Zn掺杂TiO2是化学上的结合,并非是物理上的混合。其次,针对TiO2作为染料敏化太阳能电池半导体材料存在的强极性以及染料的吸附性能较差的问题,我们在溶胶-凝胶法制备了TiO2过程中,用阴离子型十二烷基苯磺酸钠（DBS）、阳离子型十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）和非离子型聚丙烯酰胺（PAM）三种表面活性剂对纳米材料进行表面修饰,从而达到改性的目的。实验采用红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）,紫外可见光谱（UV-Vis）以及扫描电子显微镜（SEM）等手段对不同表面活性剂修饰的TiO2试样进行了分析和表征,从而探讨其修饰机理以及表面修饰对TiO2表面结构形貌和光电性能的影响。研究结果表明:表面活性剂修饰TiO2机理为DBS、CTAC和PAM分子基团分别通过S原子、N和N原子和TiO2表面相互作用起到修饰目的;经过表面活性剂修饰的TiO2比未经修饰的TiO2样品产生了红移,从红移程度以及微观形貌来看DBS的修饰效果相比CTAC、PAM较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 染料敏化太阳能电池
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 发展历程
• 2太阳能电池'>1.2 染料敏化TiO₂太阳能电池
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理
• 1.3 评价染料敏化太阳能电池的技术指标
• 1.3.1 光电转化效率
• 1.3.2 I-V 曲线
• 2半导体材料的研究概况'>1.4 纳米TiO₂半导体材料的研究概况
• 2半导体材料改性方法'>1.4.1 纳米TiO₂半导体材料改性方法
• 2薄膜'>1.4.2 多极孔结构的TiO₂薄膜
• 1.5 未来的发展趋势
• 1.6 课题背景及研究内容
• 1.6.1 课题背景
• 1.6.2 课题的研究内容
• 第二章 实验方案及实验方法
• 2.1 实验试剂和仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验设备和仪器
• 2.2 研究方案和技术路线
• 2.2.1 主要研究方案的确定
• 2.2.2 实验技术整体路线构效图
• 2.3 半导体材料的制备过程
• 2.4 实验测试及分析方法
• 2.4.1 前驱体的热分析曲线
• 2.4.2 半导体材料UV-Vis吸收光谱分析
• 2.4.3 半导体材料扫描电镜分析
• 2.4.4 晶相结构的测定
• 2.4.5 红外光谱的测定
• 2.5 正交实验
• 2材料的制备'>第三章 Zn、Sn二元掺杂纳米TiO₂材料的制备
• 3.1 引言
• 3.2 掺杂纳米材料制备的正交实验设计
• 3.3 掺杂纳米材料的制备
• 3.3 1 掺杂纳米材料试验设计
• 3.3.2 掺杂纳米材料制备过程
• 3.4 掺杂纳米材料热处理温度的确定
• 3.5 掺杂纳米材料正交试验分析
• 3.5.1 掺杂材料正交试验结果
• 3.5.2 掺杂材料极差分析
• 3.6 本章小结
• 2光电性能的测试分析'>第四章 二元掺杂对纳米TiO₂光电性能的测试分析
• 4.1 引言
• 2前驱体的热重分析'>4.2 掺杂TiO₂前驱体的热重分析
• 4.3 掺杂半导体材料的表面形态观察
• 4.4 掺杂半导体材料晶相结构的测定
• 2材料光电性能分析'>4.5 掺杂TiO₂材料光电性能分析
• 4.6 本章小结
• 2的制备及机理分析'>第五章 表面活性剂修饰纳米TiO₂的制备及机理分析
• 5.1 引言
• 5.2 表面活性剂修饰样品的主要影响因素
• 2试验因素设计及制备'>5.3 表面活性剂修纳米TiO₂试验因素设计及制备
• 2试验因素设计'>5.3.1 表面活性剂修饰TiO₂试验因素设计
• 5.3.2 表面修饰样品的制备
• 2适宜因素的确定'>5.4 表面修饰TiO₂适宜因素的确定
• 2机理的分析'>5.5 表面活性剂修饰的纳米TiO₂机理的分析
• 5.6 阳离子型、阴离子型和非离子型表面修饰机理的验证
• 5.7 本章小结
• 2的光电性能测试分析'>第六章 表面活性剂修饰纳米TiO₂的光电性能测试分析
• 6.1 引言
• 2前驱体的热重分析'>6.2 修饰TiO₂前驱体的热重分析
• 6.3 修饰半导体材料的表面形态观察
• 6.4 修饰半导体材料晶相结构的测定
• 2材料光电性能分析'>6.5 修饰TiO₂材料光电性能分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文