染料-鈣鈦礦敏化多形貌納米TiO2太陽能電池的制備和性能研究.pdf

1、納米TiO2因為具備許多獨特的性質，例如光催化性、光電性、化學穩(wěn)定性、低毒性等，而受到了廣泛的研究。目前納米TiO2的應用很多，其中最讓人關注的一個應用就是制備敏化太陽能電池，因為這也許會成為解決能源危機的一個有效方法。納米TiO2用作染料敏化太陽能電池(DSSC)的光陽極材料的研究始于1991年，在這二十年里，DSSC得到了飛速的發(fā)展。而納米TiO2鈣鈦礦敏化太陽能電池作為一種新型太陽能電池，制造過程相對簡單以及光電轉化效率高是其具有

2、的巨大優(yōu)勢，目前研究發(fā)現鈣鈦礦型太陽能電池的轉換效率已經達到19％以上，因而對于鈣鈦礦敏化太陽能電池的研究也已經成為當前的前沿和熱點課題之一，
　　人們在研究中發(fā)現，TiO2的形貌和結構等，都對其作為光陽極的效果產生巨大影響。TiO2納米棒陣列，由于具有一維結構，可以有效減少半導體中表面阱和晶界對光生電子的捕獲，從而促進載流子更高效的傳輸，有利于電子的定向傳輸，受到了學術界的廣泛關注。
　　因此，本文主要是對染料/鈣鈦礦敏化

3、多種特殊形貌納米TiO2太陽能電池的制備和性能研究。主要工作包括:
　　(1)在相對溫和的低溫條件下，使用硫酸氧鈦(TiOSO4)作為前驅體，通過簡單的水解-縮合反應制備出珊瑚結構TiO2納米棒。珊瑚結構TiO2納米棒作為染料敏化太陽能電池的光陽極，對其形貌結構進行表征，并討論了不同的合成和煅燒條件對樣品的形貌、結構和其組裝成的染料敏化太陽能電池的光電性能的影響。觀察可知在FTO基板生長的珊瑚結構TiO2納米棒具有雙層結構，底層為

4、銳鈦礦相的二氧化鈦陣列薄膜，頂層為金紅石相的納米珊瑚線簇。以實驗制備的珊瑚結構TiO2納米棒作為光陽極組裝成染料敏化太陽能電池，得到了極好的光電性能，并且隨著樣品煅燒溫度的提升，太陽能電池的開路電壓、短路電流和光電轉化效率都越來越高，其中在600℃煅燒3小時的樣品獲得了最好的光電轉化效率，達到0.9％。
　　(2)首次提出了一種新的全固態(tài)型染料敏化太陽能電池，在我們的新型電池中采用了兩種不同的鈣鈦礦材料，鈦酸鍶和CsSnI295F

5、0.05作為電子和空穴傳輸的介質。通過兩步水熱法合成了異質結構TiO2-SrTiO3納米棒復合材料作為電池的光陽極材料，并且采用N719染料作為全固態(tài)型染料敏化太陽能電池的光敏化劑。結果表明，N719/TiO2-SrTiO3/CsSnI2.95F0.05系統(tǒng)匹配良好的能帶結構可以作為促進電荷分離的能量連接，從而提高太陽能電池的光電轉換效率。更重要的是，在工業(yè)生產中，由于使用堿性水解方法制備TiO2具有相對高的生產率和較低的成本，因此目前

6、來說二氧化鈦的工業(yè)生產已經廣泛采用鈦鹽在堿性條件下水解的方法進行制備。本實驗之中我們討論了堿性前體反應物濃度對TiO2-SrTiO3納米棒薄膜的光電化學性能的影響，并證明了TiO2-SrTiO3納米棒光陽極可以提高染料敏化太陽能電池的光電轉換效率（η）使其最高達到1.09％，是在堿性環(huán)境制備的純TiO2納米棒陣列的10倍以上（η～0.12％），因此本實驗對工業(yè)二氧化鈦太陽能電池的生產和發(fā)展具有重要意義。
　　(3)采用簡單的水熱方

7、法在FTO(摻雜氟的SnO2導電玻璃(SnO2∶F))襯底上直接合成了一維取向的單晶金紅石型二氧化鈦薄膜，然后使用二氧化鈦納米棒作為模板和反應物，Sr(OH)2作為鍶源，通過水熱反應成功在TiO2納米棒陣列的表面沉積了SrTiO3立方納米顆粒。并采用TiO2-SrTiO3納米棒復合材料作為電池的工作電極，鈣鈦礦型的CH3NH3PbI3和CsSnI2.95F0.05分別作為光敏劑和電解質組裝鈣鈦礦敏化太陽能電池。同時我們討論了煅燒溫度和反