二氧化鈦納米片基染料敏化太陽(yáng)能電池的制備.pdf

1、能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界人類社會(huì)的兩個(gè)重要發(fā)展戰(zhàn)略。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求正在不斷增長(zhǎng)，新能源的發(fā)展勢(shì)在必行。太陽(yáng)能源源不斷的輻照地面，且清潔無任何污染，因而成為最具開發(fā)潛力的新能源之一。染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是一種有效利用太陽(yáng)能的光電器件，它制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境無污染，因而具有良好的發(fā)展前景。DSSC在實(shí)際應(yīng)用中光電轉(zhuǎn)換效率偏低，納米二氧化鈦薄膜是染料敏化太陽(yáng)能電池的重要組成部分，如何

2、優(yōu)化二氧化鈦陽(yáng)極對(duì)提高染料敏化太陽(yáng)能電池的效率有很大影響。本論文著重研究了二氧化鈦的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和二氧化鈦/碳納米復(fù)合材料的制備，以提高系統(tǒng)的電荷分離效果，從而提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能。具體工作包括以下內(nèi)容：
　　 1)(001)高能面暴露的銳鈦礦TiO2納米片在DSSC中的應(yīng)用及其增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率。最近大量研究發(fā)現(xiàn)，與熱力學(xué)穩(wěn)定的(101)晶面相比，(001)晶面的反應(yīng)活性更強(qiáng)，銳鈦礦二氧化鈦納米片為高活性的材料和器

3、件提供了一個(gè)新的選擇。本文首次研究了(001)高能面暴露的銳鈦礦二氧化鈦納米片(TiO2 NS)在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)比研究了用(001)高能面暴露的銳鈦礦二氧化鈦納米片、二氧化鈦納米顆粒以及商業(yè)P25電極制備的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的光電轉(zhuǎn)化性能，其光電轉(zhuǎn)化效率分別為4.56、4.24和3.64％。銳鈦礦二氧化鈦納米片電極制備的染料敏化太陽(yáng)能電池增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率主要源于其良好的晶化、大的孔體積以及增強(qiáng)的光散射

4、效應(yīng)。所制備的二氧化鈦納米片膜電極在光催化、催化、電化學(xué)、分離以及凈化等領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。
　　 2)銳鈦礦二氧化鈦納米顆粒和納米片對(duì)N719染料的吸附等溫線、吸附動(dòng)力學(xué)和吸附熱力學(xué)研究。最近，(001)高能面暴露的銳鈦礦二氧化鈦納米片(TiO2 NS)膜電極已經(jīng)被制備，且應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池。銳鈦礦二氧化鈦納米片電極制備的染料敏化太陽(yáng)能電池增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率主要源于其良好的晶化、大的孔體積以及增強(qiáng)的光散射效應(yīng)。從

5、另一方面來講，吸附在二氧化鈦表面的染料復(fù)合物的吸附特性研究對(duì)于深入理解敏化特性以及優(yōu)化染料敏化太陽(yáng)能電池的性能有著非常重要的意義。因此，我們首次研究了暴露(001)(TiO2 NS)對(duì)N719染料分子的吸附等溫線、吸附動(dòng)力學(xué)和吸附熱力學(xué)性能，并對(duì)比研究了(101)晶面銳鈦礦二氧化鈦納米顆粒(TiO2 NP)的吸附性能。用準(zhǔn)一級(jí)，準(zhǔn)二級(jí)和顆粒內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型來擬合樣品的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型能更好地描述樣品

6、的吸附動(dòng)力學(xué)。此外，用Langmuir和Freundlich模型來分析所制備樣品吸附N719的平衡吸附數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，Langmuir模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得更好。通過Langmuir公式計(jì)算得到二氧化鈦納米片在不同溫度對(duì)N719的最大吸附量(qmax)分別為65.2(30℃)、68.2(40℃)和76.6(50℃)mg g-1，小于二氧化鈦納米顆粒在各個(gè)溫度對(duì)N719的最大吸附量92.4(30℃)、100.0(40℃)和108.2(50℃

7、)mg g-1。與二氧化鈦納米片相比，二氧化鈦納米顆粒對(duì)N719的更高的最大吸附量是由于二氧化鈦納米顆粒具有更大的比表面積。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦納米片在不同溫度對(duì)N719染料的最大比吸附量(qmax/SBET)分別為1.5(30℃)、1.6(40℃)和1.7(50℃)mg m-2，大于二氧化鈦納米顆粒在各個(gè)溫度對(duì)N719最大比吸附量0.9(30℃)、1.0(40℃)和1.1(50℃)mg m-2。與二氧化鈦納米顆粒相比，二氧化鈦納米

8、片對(duì)N719具有更高的最大比吸附量，這是因?yàn)椋c(101)晶面相比，反應(yīng)物(吸附劑/吸附質(zhì))分子更容易在(001)晶面發(fā)生解離吸附。值得注意的是，qmax與qmax/SBET均隨著溫度的升高而增大，這表明二氧化鈦表面對(duì)N719的吸附是一個(gè)吸熱過程，這一點(diǎn)也通過對(duì)吸附過程的自由能、焓和熵等熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算得到進(jìn)一步的確認(rèn)。此研究為二氧化鈦納米片和二氧化鈦納米顆粒對(duì)N719分子吸附的過程和機(jī)理的理解提供了新的視野，而這對(duì)于增強(qiáng)染料敏化太陽(yáng)能

9、電池的性能也有著重要的意義。
　　 3)TiO2納米片/石墨烯復(fù)合膜在DSSC中的應(yīng)用及其增強(qiáng)的光電性能。最近報(bào)道的銳鈦礦二氧化鈦納米片電極制備的染料敏化太陽(yáng)能電池增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率主要源于其良好的晶化、大的孔體積以及增強(qiáng)的光散射效應(yīng)。特別的，考慮到石墨烯的二維納米結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的導(dǎo)電性，很多研究者將其與二氧化鈦進(jìn)行復(fù)合來提高它們的光催化活性和光電性能。本研究首次制備了染料敏化太陽(yáng)能電池的TiO2 NS/石墨烯復(fù)合膜電極，并研究了石

10、墨烯對(duì)所制備的DSSC的微結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換性能的影響。石墨烯含量顯著影響TiO2 NS/石墨烯復(fù)合膜的物理結(jié)構(gòu)和光吸收特性，同時(shí)也顯著影響TiO2 NS/石墨烯復(fù)合DSSC中載流子的傳輸、被陷阱捕獲及復(fù)合。研究結(jié)果表明，石墨烯含量顯著影響TiO2 NS/石墨烯復(fù)合電池的光電轉(zhuǎn)換效率。與純二氧化鈦膜制備的染料敏化太陽(yáng)能電池相比，含有適量石墨烯(<0.75 wt.％)的二氧化鈦納米片/石墨烯復(fù)合染料敏化太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率。適量

11、的石墨烯不僅降低二氧化鈦膜/電解質(zhì)界面之間的電子傳輸電阻、降低光生電子和空穴的復(fù)合、增強(qiáng)光生電子從二氧化鈦膜到FTO導(dǎo)電玻璃基體的傳輸。同時(shí)，石墨烯的引入還增強(qiáng)光的捕獲，從而增加光生電子的數(shù)量。此外，TiO2 NS/石墨烯復(fù)合膜電極的良好的孔結(jié)構(gòu)有利于電解質(zhì)的擴(kuò)散，從而有利于染料分子的再生和DSSC光電轉(zhuǎn)換性能的增強(qiáng)。然而，過量的石墨烯(>0.75wt.％)顯著降低了二氧化鈦納米片/石墨烯復(fù)合DSSC的光電性能。這是因?yàn)檫^量的石墨烯不僅

12、降低了半導(dǎo)體半導(dǎo)體復(fù)合膜的晶化，同時(shí)也屏蔽了染料分子對(duì)光的捕獲，減少了光生電子的數(shù)量。本研究將為高性能染料敏化太陽(yáng)能電池的制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的視野。
　　 4)基于銳鈦礦TiO2空心球/碳納米管復(fù)合膜的染料敏化太陽(yáng)能電池的研究。最近，銳鈦礦TiO2空心結(jié)構(gòu)材料由于其大的比表面和分等級(jí)納米孔結(jié)構(gòu)，以及其增強(qiáng)的光催化性能和光電轉(zhuǎn)換效率而引起了越來越多的關(guān)注。進(jìn)一步的，考慮到碳納米管(CNT)的一維納米結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電性，我們有理由

13、推斷CNT/TiO2復(fù)合物應(yīng)該有利于二氧化鈦膜中電子的傳輸，有利于增強(qiáng)其光催化性能和光電轉(zhuǎn)換效率。本研究首次制備了銳鈦礦二氧化鈦空心球(TiO2 HS)/多壁碳納米管(CNT)復(fù)合膜，并將其應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)。同時(shí)，對(duì)比研究了相同厚度的TiO2 HS/CNT與P25/CNT復(fù)合膜電極制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。研究結(jié)果表明，碳納米管含量顯著影響TiO2 HS/CNT復(fù)合電池的光電轉(zhuǎn)換效率。少量的碳納米管(<

14、0.1 wt.％)能夠增強(qiáng)TiO2 HS/CNT復(fù)合電池的光電轉(zhuǎn)換效率，而過量的碳納米管(>0.1 wt.％)反而降低了其光電性能。前者是因?yàn)樘技{米管對(duì)電子的快速傳輸使得電子快速?gòu)亩趸伳まD(zhuǎn)移到FTO導(dǎo)電玻璃基體。后者是因?yàn)檫^量的碳納米管屏蔽了染料分子對(duì)光的捕獲，減少了光生電子的數(shù)量，同時(shí)碳納米管的引入也降低了半導(dǎo)體復(fù)合膜的晶化，從而增加了二氧化鈦膜/染料/電解質(zhì)界面之間的界面?zhèn)鬏旊娮?，使得電池的性能降低。本研究將為高性能染料敏化太?yáng)