基于二氧化鈦納米材料的染料敏化太陽能電池改進(jìn).pdf

1、本論文研究了不同類型TiO2納米材料（納米顆粒、納米管和納米帶）的光轉(zhuǎn)換效率及其它特性。這些納米材料是通過溶膠凝膠法、水熱法和陽極氧化法合成得到，它們形貌上的差別取決于它所采用的合成方法。材料的表征主要通過X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和選區(qū)電子衍射（SAED）來完成。由這些TiO2納米材料組裝成的染料敏化太陽能電池（DSSC），其光電轉(zhuǎn)換參數(shù)是利用1.5 AM的太陽模擬器（Oriel91192

2、）測量得到。 利用溶膠凝膠法制備了TiO2納米顆粒，并比較了制備過程中有無表面活性劑對結(jié)果的影響。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）可控制粒徑的大小。分析了這些納米顆粒的大小、粒徑的分布和相的組成，結(jié)果表明，在不添加表面活性劑和添加PVP表面活性劑的情況下，樣品出現(xiàn)不同金紅石相濃度的二元相結(jié)構(gòu)。測量了樣品對甲基橙的光催化性質(zhì)，并與公司產(chǎn)TiO2作了對比。結(jié)果表明，以PVP作為表面活性劑制備時

3、，樣品的降解效率最高，而以CTAB作為表面活性劑時，降解效率最低。二元混合相的樣品比純銳鈦礦相具有更高的降解效率。這可能是因?yàn)榻鸺t石相和銳鈦礦相之間的協(xié)同作用效應(yīng)增強(qiáng)了電子空穴對的分離，導(dǎo)致提高了樣品的光催化活性。樣品N-TiO2、CTAB-TiO2、PVP-TiO2和Com.TiO2的總轉(zhuǎn)換效率分別為2.81％、1.57％、0.09％和1.21％。比較由這些納米顆粒組成的染料敏化太陽能電池時可明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池是由不添加表面活性劑所制得

4、的TiO2納米顆粒（N-TiO2）組裝時，它比其它組裝電池有著更高的短路電流值（Isc）和總轉(zhuǎn)換效率。這是因?yàn)樗哂懈弑缺砻婧投嗫捉Y(jié)構(gòu)，使得更多的敏化染料能夠儲存在電極中，從而增強(qiáng)了捕獲光的能力。 通過水熱法，利用粒徑約為50-400nm的商用銳鈦礦相納米顆粒和NaOH合成了TiO2納米管和納米帶。發(fā)現(xiàn)水熱合成的溫度和反應(yīng)時間對最終產(chǎn)物的形貌有著強(qiáng)烈的影響。當(dāng)合成溫度固定在180度時，樣品的形貌會隨著反應(yīng)時間（5-72h）發(fā)生變

5、化。當(dāng)反應(yīng)時間在5-20h時，會得到外徑約為100nm的空心納米管。當(dāng)反應(yīng)時間為72h時，會得到由納米帶組成的納米束，這些納米帶的寬度約為50-500nm之間，長度約為幾個微米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，由不同反應(yīng)溫度（135℃-195℃）和反應(yīng)時間下得到的樣品，在特定溫度下通過不同的反應(yīng)時間，可發(fā)生由納米管向納米帶的轉(zhuǎn)變。當(dāng)染料敏化太陽能電池（DSSC）是由這些TiO2納米管、納米帶和兩者的混合體所組裝時，它們的轉(zhuǎn)換效率分別為0.03％、0.0

6、2％和0.21％。與純納米管或純納米帶相比，兩者混合體組裝電池有著最高的轉(zhuǎn)換效率和更優(yōu)的開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）。 合成了自組裝TiO2納米管陣列，并研究了合成中NH4F濃度對其維度（長度、直徑和厚度）的影響。結(jié)果表明，NH4F濃度強(qiáng)烈影響著納米管的維度。納米管的長度隨著濃度的增加會逐步增加，當(dāng)濃度增到1.00 wt％時，長度達(dá)到最大值。繼續(xù)增加濃度時，其長度會緩慢減小。同時也觀察到納米管的直徑和壁厚也會受到NH4