论文摘要
伴随着经济的迅速发展,人类对能源的需求量越来越大。而传统能源的日益枯竭促使人们越来越关注新能源的开发与利用。太阳能作为一种环境友好、用之不尽取之不竭的新能源,是最有前途的能源之一。继传统硅太阳电池之后,染料敏化太阳电池以其低廉的成本和简单的制作工艺,为人类有效地利用太阳能提供了新的途径。TiO2光阳极是染料敏化太阳能电池的关键部分,具有吸附染料分子,分离电荷以及传输光生载流子的功能,其性能直接关系到太阳电池的总效率,在染料敏化太阳电池的应用中起到至关重要的作用。因此,开发出高效的光阳极组件是该领域迫切需要解决的热点问题之一。TiO2是一种宽禁带半导体材料,禁带宽度为3.2eV,其新型纳米结构的研究与开发对半导体发光材料、自旋电子学、光催化剂以及染料敏化太阳电池等领域的发展具有重要意义。TiO2纳米晶薄膜是染料敏化太阳电池中最常用也是研究最多的电极材料之一,它是由TiO2晶粒相互连接、贯通组成的三维网状空隙结构,由颗粒与颗粒之间的相互连接来保证电子的传输,但是这种连接是随机的、松散的而且可能存在断点,这就极大地影响了电子在TiO2纳米晶薄膜中的传输过程。而TiO2纳米管薄膜是一种在钛金属表面合成的致密有序的纳米多孔材料,阵列中的管道结构为光生电子提供了传输的高速通道,有利于提高电子的迁移率,在染料敏化太阳电池的阳极应用方面具有很好的发展前景。当前,制备的TiO2纳米管形貌多为直线型,相关研究主要集中在纳米管管长、管径、管壁厚度的有效控制,以及提高TiO2纳米管阵列的表面形貌质量等方面。随着制备方法和制备工艺的不同,TiO2纳米管的外在形貌也在朝着多维结构的方向发展,如两分叉（Y型）、三分叉以及多层分叉的TiO2纳米管阵列等。基于目前TiO2纳米管的成熟技术,并结合染料敏化太阳电池的国内外发展状况,本论文从以下几个方面开展研究：1.在两步阳极氧化法的基础上,考察了生长工艺参数（电解液的组成、温度、氧化电压、氧化时间等）和晶化处理等对TiO2纳米管阵列的影响。同时,总结出一组制备直线型TiO2纳米管阵列材料的最佳工艺参数。为开展Y型TiO2纳米管的研究工作奠定了基础。2.系统地研究了电解液温度对Y型TiO2纳米管阵列形貌的影响,讨论了升温法制备Y型TiO2纳米管的内在机理,并在较宽的温度范围内（20℃-30℃,40℃,50℃,60℃）,分别制备出四种Y型TiO2纳米管阵列。当电解液温度设置在40℃以上时,Ti02纳米管阵列顶部将发生过度溶解,出现环状纳米线、管壁破裂以及管长减小等现象,从实际应用的角度来看,不利于保证Y型TiO2纳米管的整体质量。因此,将制备温度控制在20℃-40℃范围内,可以得到较为理想的Y型TiO2纳米管阵列。同时,升温措施还有利于改善TiO2纳米管内部的V型结构,能够进一步扩大下层管径空间,从而提高Y型TiO2纳米管阵列的比表面积。3.采用阳极氧化降压法成功地合成了Y型TiO2纳米管阵列,与升温法制备的样品相比,这种TiO2纳米管阵列具有表面形貌高度规整,Y型纳米管占有率高等特点。同时,本文也对改变氧化电压形成Y型TiO2纳米管的内在机理进行了讨论,并通过进一步扩大降压范围（34V-20V）和两次降压的方式（38V-28V-20V）分别制备出了三分叉TiO2纳米管阵列和两代Y型TiO2纳米管阵列。进一步拓展了TiO2纳米管结构上的多样性。4.采用阳极氧化降压法制备出Y型TiO2纳米管阵列,并通过溶液剥离、白纸提取、多步退火以及TiO2纳米晶浆料配制等工艺,组装成染料敏化Y型TiO2纳米管太阳电池,再利用相同的封装方式制备出染料敏化直线型TiO2纳米管太阳电池。对两种电池进行光电性能测试,通过对比同等膜厚的直/Y型TiO2纳米管太阳电池的开路光电压、短路光电流密度、填充因子以及光电转化效率等性能参数,证明了Y型TiO2纳米管薄膜所组装的电池具有更加优异的光电性能,样品的光电转换效率从2.83%提升至3.35%,效率提高了18.38%。
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标签：纳米管论文; 阳极氧化型纳米管论文;