二氧化鈦一維復合結構的合成及其光電性能研究.pdf

1、太陽能電池是一種能將太陽能轉變?yōu)殡娔艿挠行Ъ夹g途徑,發(fā)展太陽能電池技術對解決世界能源危機和促進環(huán)境保護具有非常重要的作用。目前太陽能電池的主要種類有:硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和染料敏化太陽能電池。其中,染料敏化太陽能電池(DSSCs)由于成本低廉、組裝簡易等特點受到了廣泛的關注。就染料敏化太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀而言,二氧化鈦納米晶半導體光陽極的性能嚴重制約著電池的光電轉換效率。作為光陽極的重要組成部分,二氧化鈦材料的形貌和結構決定了光

2、陽極的電子傳輸動力學性能。因此,合成新型納米二氧化鈦光陽極材料,研究其電子傳輸動力學特征,并通過材料微觀形貌的控制,以期優(yōu)化光陽極的電子傳輸動力學性能,從而提高電池的光電轉換性能。
　　 本論文選取了三種不同形貌(納米晶、納米棒和納米管)的質(zhì)子鈦酸鹽納米材料作為研究材料的起始物,對隨后合成的二氧化鈦結構、形貌及其光電化學性能進行了研究。研究結果顯示,質(zhì)子鈦酸鹽納米粒子隨著燒結溫度的升高,其物相經(jīng)歷了從TiO2(B)到銳鈦礦相的變

3、化,且晶粒尺寸不斷增大,其中500℃燒結制備出的納米晶粒具有最好的光電性能。對于大尺寸納米棒而言(直徑約100nm左右、長度為微米級),隨著燒結溫度的升高,質(zhì)子鈦酸鹽物相也從TiO2(B)相逐漸變?yōu)殇J鈦礦相,但轉變溫度明顯升高,且納米棒在高溫燒結后斷裂現(xiàn)象明顯,其中700℃燒結得到的大尺寸納米棒具有良好的光電性能。在納米管的研究中,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子鈦酸鹽納米管隨著燒結溫度的升高,除物相由TiO2-B相變?yōu)殇J鈦礦相外,其形貌也發(fā)生了顯著的變化,即

4、從納米管轉變成實心的小尺寸納米棒,并隨著溫度的升高進一步轉變?yōu)檩^大的納米晶粒。光電性能測試顯示,600℃燒結得到的納米材料的光電性能最優(yōu)。
　　 采用強度調(diào)制光電流譜和強度調(diào)制光電壓譜研究了上述不同形貌二氧化鈦的電子傳輸動力學特征。研究結果表明:對于二氧化鈦納米晶而言,由于其本身結構的局限性和大量的結構缺陷,使得在光陽極膜內(nèi)晶粒間的電子傳輸時間長、電子壽命短,導致光生電子復合機率大。大尺寸二氧化鈦納米棒具有一維柱狀結構特點,有利

5、于電子的快速傳遞,顯示出電子傳輸速率快、電子壽命長和光生電子復合率低的優(yōu)勢。由于不同燒結溫度導致了納米管的相結構和形貌發(fā)生了顯著變化,其相應產(chǎn)物的電子傳輸過程呈現(xiàn)出不同的動力學特征。其中,在300℃和400℃燒結時得到的納米管具有TiO2(B)結構和較多的結構缺陷,因此導致其具有電子傳輸時間長、電子壽命短和光生電子復合嚴重的特征。而在500℃和600℃燒結時,質(zhì)子鈦酸鹽納米管轉變?yōu)槌叽巛^小的二氧化鈦納米棒,其電子傳輸速率快,電子壽命可達

6、106 ms。以上研究結果表明:具有棒狀形貌的二氧化鈦納米材料具有良好的電子傳輸性能,為后續(xù)的復合材料構筑及其光電性能研究提供了良好的研究基礎。
　　 在以上研究基礎上,本論文優(yōu)化設計并制備出具有一維結構的二氧化鈦復合材料,即將納米晶均勻負載在大尺寸納米棒表面,構筑了具有一種雙功能結構的復合材料。研究結果表明:該一維復合材料可將納米晶的高比表面特征和大尺寸納米棒優(yōu)良的電子傳輸性能有機的結合起來。其中,表面負載的二氧化鈦納米晶不僅

7、顯著地提高了復合材料的比表面積,也降低了界面電荷轉移電阻。同時,由于二氧化鈦納米棒的存在,電子在復合材料中傳輸時具有快速傳輸?shù)膭恿W特征。這使得該復合材料的光電轉換效率較單一納米棒的轉換效率提高了五倍之多。
　　 為進一步提高復合材料的比表面,本論文還以二氧化鈦納米管為前驅(qū)體制備了小尺寸、高比表面的納米棒,并進一步構筑了納米晶/納米棒復合材料。研究結果表明,該復合材料秉承了一維納米復合材料的結構優(yōu)勢,不僅具有良好的電子傳輸特性,