有序多孔TiO2薄膜的制备及其性能研究

论文摘要

当前日益严重的环境污染和能源危机,使得太阳能近年来成为研究的热点,其中染料敏化太阳电池以其简单的工艺、低廉的成本等优势受到材料、化学、物理和能源等领域研究者的广泛关注。但目前作为研究主体的TiO2纳米材料,仍存在两大基本问题:其一,纳米粉体的比表面积小;其二,无序结构使得光生载流子容易复合。这两大问题限制了TiO2染料敏化太阳电池的光电转化效率的提高。因此,研究具有高比表面积且有利于光生电子传输的有序多孔TiO2材料对光电转换效率的提高具有重要意义。胶体晶体模板法制备的材料具有孔径可控、孔径分布均匀等特点,因此被广泛应用于有序多孔材料的制备。本课题采用聚苯乙烯（PS）胶体晶体微球为模板,将溶胶-凝胶技术与浸渍-提拉法相结合制得有序多孔TiO2薄膜;通过Gd掺杂对有序多孔TiO2薄膜进行改性研究,并组装成染料敏化太阳电池,对其制备工艺及性能进行了系统研究,得出以下结果:（1）利用乳液聚合法合成出单分散、粒径均匀的聚苯乙烯微球颗粒,研究了聚合时间、引发剂用量等因素对PS胶体微球粒径的影响。结果表明:聚苯乙烯微球的粒径随聚合时间的延长而增大、随引发剂的增加而减小。（2）采用浸渍-提拉法在导电玻璃基底上组装出高质量、不同粒径的聚苯乙烯微球胶体晶体模板,研究了乳液中胶体微球浓度及浸渍-提拉速度等制备工艺参数对胶体晶体模板质量的影响。实验结果表明:当PS微球粒径为300nm,微球乳液体积分数为20vol%时,以3cm/min的提拉速度组装出单层结构的规则有序的胶体晶体;当PS微球粒径为390nm,微球乳液体积分数为20vol%时,以1cm/min的提拉速度可组装出三维规则有序的胶体晶体。（3）以聚苯乙烯微球胶体晶体为模板,采用溶胶-凝胶技术与浸渍-提拉法相结合制备出有序多孔TiO2材料,并对TiO2溶胶的陈化时间、胶体晶体模板在TiO2溶胶中的浸渍时间以及胶体晶体模板的形貌等制备条件对有序多孔TiO2微观结构的影响进行分析。结果表明:陈化12h的TiO2溶胶,以单层的PS胶体晶体为模板时的最佳浸渍时间为3min,以多层的PS胶体晶体为模板时的最佳浸渍时间为5min。（4）利用优化的制备工艺成功制备出稀土Gd掺杂有序多孔TiO2,并对具有不同微观结构的有序多孔TiO2、Gd掺杂有序多孔TiO2所组装的染料敏化太阳能电池的光电性能进行对比分析。结果表明:多层有序多孔TiO2材料的UV-Vis光谱学性能及其组装的DSSC的光电性能均优于单层TiO2材料,且Gd3+掺杂量为0.5wt%的样品UV-Vis光谱学性能最优,以Gd3+掺杂量为0.5wt%的多层有序多孔TiO2组装的DSSC表现出较高的光电转化效率,其短路电流Jsc为4.13mA·cm-2,开路电压Voc为0.68V,光电转换效率η为1.6%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 有序多孔材料
• 1.2.1 有序多孔材料简介
• 1.2.2 模板法制备有序多孔材料
• 1.2.3 以胶体晶体为模板制备有序多孔材料
• 2 有序多孔材料'>1.3 纳米Ti0₂有序多孔材料
• 2 材料的制备方法'>1.3.1 有序多孔Ti0₂材料的制备方法
• 2 的改性'>1.3.2 有序多孔Ti0₂的改性
• 2 的应用'>1.3.3 有序多孔Ti0₂的应用
• 1.4 论文的研究目的及意义
• 第二章 PS 胶晶模板组装
• 2.1 引言
• 2.2 实验及结构表征
• 2.2.1 实验原料及设备
• 2.2.2 实验方案设计与实验过程
• 2.2.3 结构表征
• 2.3 机理讨论
• 2.3.1 乳液聚合反应机理
• 2.3.2 聚苯乙烯模板组装机理
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 乳液聚合法制备单分散 PS 微球
• 2.4.2 PS 胶体晶体模板组装
• 2.5 本章小结
• 2 材料'>第三章 PS 模板法制备有序多孔 Ti0₂材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验及性能测试
• 3.2.1 实验原料及设备
• 3.2.2 实验方案设计与实验过程
• 3.2.3 结构和性能表征
• 3.3 结果与讨论
• 2 的热分析'>3.3.1 PS 胶体晶体模板组装的Ti0₂的热分析
• 2 材料的形貌分析'>3.3.2 有序多孔Ti0₂材料的形貌分析
• 2 材料的性能'>3.3.3 有序多孔Ti0₂材料的性能
• 3.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的论文）
• 附录B
• 详细摘要