染料敏化太陽(yáng)能電池TiO2多孔電極制備及其性能研究.pdf

1、通過(guò)在寬帶隙半導(dǎo)體材料表面結(jié)合一些對(duì)可見(jiàn)光具有強(qiáng)吸收能力的有機(jī)光敏染料，使體系的光譜響應(yīng)拓展到可見(jiàn)區(qū)，甚至近紅外區(qū)的行為，叫半導(dǎo)體的“染料敏化作用”，根據(jù)此原理制備成的太陽(yáng)能電池稱(chēng)為“染料敏化太陽(yáng)能電池”。與傳統(tǒng)的第一代、第二代太陽(yáng)能技術(shù)相比，染料敏化太陽(yáng)能電池在低成本、輕質(zhì)、柔韌性、透明性、多色彩等方面占有明顯優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為最具開(kāi)發(fā)潛力的第三代新型薄膜太陽(yáng)能電池。為了提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，通常需要采用較大比表面積的納米晶

2、多孔電極來(lái)吸附光敏染料，提高電池的光捕獲效率。目前水熱法合成的銳鈦礦相二氧化鈦納米晶是制備多孔電極最理想的材料，但是需要經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)的水解反應(yīng)和高溫高壓下的水熱過(guò)程，而且產(chǎn)量低，成本昂貴，難以滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)要求。為了省略繁瑣的納米晶合成工藝，縮短染敏電池生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，本論文采用商業(yè)化P25型二氧化鈦粉末來(lái)制備多孔電極，研究其化學(xué)分散、銳鈦礦相分離、電極表面鈍化等技術(shù)對(duì)電池光電性能的影響。主要工作如下：
　　研究 P25型二氧

3、化鈦粉末的化學(xué)分散性對(duì)電池光電性能的影響。P25粉末在制備多孔電極過(guò)程中容易產(chǎn)生大量軟性團(tuán)聚體，尺寸從數(shù)百納米到數(shù)微米不等。軟性團(tuán)聚體在干燥或燒結(jié)過(guò)程中由于坍塌產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致薄膜開(kāi)裂或者從基底脫落，同時(shí)大尺寸團(tuán)聚粒子會(huì)使多孔電極中產(chǎn)生較大的孔隙，結(jié)構(gòu)疏松，不利于染料吸附和多孔電極電荷收集。軟性團(tuán)聚體的本質(zhì)是納米粒子之間存在范德華吸引力。為了抑制納米粒子之間的相互吸引，我們通過(guò)化學(xué)的方法，在二氧化鈦納米粒子表面化學(xué)吸附醋酸分子，通過(guò)在

4、水溶液中電離的方式使納米粒子表面帶上雙電荷層，利用粒子之間產(chǎn)生的靜電斥力，抵消范德華吸引力，自發(fā)實(shí)現(xiàn)了P25粉末在水溶液中的高度分散。研究結(jié)果表明，P25粉末充分吸附醋酸以后，納米粒子在水溶液中的Zeta電位從+5.35mV增大到+46.1 mV，在水溶液中的團(tuán)聚體尺寸由400nm減小到30nm，最終實(shí)現(xiàn)了P25粉末的單分散性。將分散好的P25粉末制備成多孔電極，經(jīng)過(guò)500℃燒結(jié)(驅(qū)除有機(jī)物)，與未分散的P25粉末多孔電極相比，比表面積

5、從47.16下降到44.52m2/g，平均孔徑從37.40下降到19.81nm，多孔電極密度0.113增大到0.163mg/cm2μm1，粗糙因子提高36％，說(shuō)明多孔電極隨 P25粉末分散質(zhì)量的提高變得更加致密。P25分米經(jīng)過(guò)分散后，制備成多孔電極，并組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池，測(cè)試電池在模擬光照下的光電性能，測(cè)試結(jié)果表明，隨P25粉末分散質(zhì)量的提高，電池的開(kāi)路電壓基本保持不變，填充因子有略微下降，但是短路電流密度從11.8mA/cm2大

6、幅提高到15.7mA/cm2，最終使電池光電轉(zhuǎn)換效率從6.15%提高到8.07%。電池短路電流的大幅提高，主要因?yàn)镻25粉末分散質(zhì)量的提高，使制備的多孔電極粗糙因子增大，使電極單位體積內(nèi)染料吸附能力增強(qiáng)，最終使電極的光捕獲能力得到大幅改善。
　　研究 P25粉末相分離對(duì)電池光電性能的影響。P25粉末是由80%尺寸為21nm的銳鈦礦相和20%尺寸為50nm金紅石相組成，銳鈦礦相在染料吸附能力和電子遷移速率方面比金紅石相更優(yōu)越，有利于

7、獲得更加優(yōu)越的光電性能。因此，使用P25粉末制備高效染料敏化太陽(yáng)能電池，需要將金紅石相從粉末中分離出去。與銳鈦礦相相比，由于金紅石相尺寸較大，表面羥基功能團(tuán)數(shù)目較少，表面吸附醋酸分子后在水溶液中建立的雙電荷層比較薄弱，會(huì)優(yōu)先被強(qiáng)電解質(zhì)電離出的大量正負(fù)離子所破壞。當(dāng)金紅石相納米粒子失去雙電荷層后，因?yàn)榉兜氯A吸引力而發(fā)生重新團(tuán)聚，從溶液中沉淀出去，從而去除粉末中的金紅石相。XRD結(jié)果研究表明，隨著向P25粉末的分散液中添加強(qiáng)電解質(zhì)用量的增大

8、，溶液中金紅石相的特征衍射峰強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，最后消失，粉末中銳鈦礦相的含量從83.2%增大到100%。粉末的多孔特性研究表明，隨著金紅石含量的減少，分離出的銳鈦礦相粉末平均粒子直徑從28.3nm減少到19.7nm，比表面積從49.9m2/g增大到76.3m2/g，說(shuō)明分離出的粉末會(huì)更有利光敏染料的吸附。將分離出的銳鈦礦相粉末制備成染料敏化太陽(yáng)能電池，其光電性能測(cè)試結(jié)果表明，隨著P25粉末中金紅石含量的減少，制備的染敏電池開(kāi)路電壓基本保持不

9、變，而電池的短路電流密度從16.1mA/cm2增大到18.2mA/cm2，填充因子從71.1%提高到74.2%，轉(zhuǎn)換效率從8.52%增大到了10.1%，說(shuō)明分離出的銳鈦礦相粉末具有更好的染料吸附能力和電子收集效率，使電池光電性能得到進(jìn)一步改善。在相組成、粒子分散度、比表面積等方面都表明，從P25粉末中分離出的銳鈦礦相粉末屬于理想的光陽(yáng)極材料，可以替代傳統(tǒng)的水熱法納米晶合成工藝，降低染料敏化太陽(yáng)能電池商業(yè)化生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。
　　

10、研究多孔電極表面鈍化對(duì)電池光電性能的影響。雖然二氧化鈦納米晶多孔電極具有較大的比表面積，有利于光敏染料在表面的吸附，但同時(shí)也增大多孔電極導(dǎo)帶電子與電解質(zhì)復(fù)合的概率。為了進(jìn)一步提高電池的光電性能，需要對(duì)多孔電極進(jìn)行表面鈍化，抑制多孔電極與電解質(zhì)之間的復(fù)合過(guò)程，從而提高電池的開(kāi)路電壓。同時(shí)，我們考慮到染料敏化太陽(yáng)能電池在受潮后，電池光電性能加速衰減的問(wèn)題。使用3A分子篩作為多孔電極表面鈍化層和除水劑，改善電池的復(fù)合阻抗和電池的抗潮能力，提高

11、電池的開(kāi)路電壓和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。3A分子篩是鋁硅酸鹽晶體，屬于絕緣材料，涂覆在光陽(yáng)極表面，可以有效地隔離多孔電極表面富集的電子與氧化電解質(zhì)之間的接觸，降低電極表面電子與電解質(zhì)的復(fù)合概率。同時(shí)，3A分子篩由硅氧四面體和鋁氧四面體通過(guò)氧橋鍵相連而成三維的籠狀結(jié)構(gòu)，形成大量3?尺寸的孔徑，對(duì)電解質(zhì)中的極性水分子具有非常強(qiáng)烈的選擇性吸附，有效抵抗水分對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能的惡化。研究結(jié)果表明，在多孔電極表面使用3μm厚度的3A分子篩涂層，可