TiO2納米晶薄膜電極的表面修飾和光電化學(xué)性質(zhì).pdf

1、隨著人類(lèi)工業(yè)文明的迅速發(fā)展，煤、石油、天然氣等礦物資源正日益枯竭。世界范圍內(nèi)能源供應(yīng)日益緊張，能源問(wèn)題將成為制約各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。作為礦物能源的替代能源，太陽(yáng)能最具有開(kāi)發(fā)和利用前景，越來(lái)越受到人們的重視。在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中，太陽(yáng)能電池是近年來(lái)發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域。二十世紀(jì)九十年代發(fā)展起來(lái)的染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)能電池因其具有制備簡(jiǎn)單、成本低、光電轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前光電轉(zhuǎn)換器件的研究熱點(diǎn)之一。
　　 染料敏

2、化納米晶太陽(yáng)能電池主要是由半導(dǎo)體納米晶薄膜、電解質(zhì)、光電敏化劑以及對(duì)電極構(gòu)成，各部件都對(duì)太陽(yáng)能電池的光電性能有重要的影響。本論文主要從半導(dǎo)體納米晶薄膜和電解質(zhì)這兩方面入手，研究改善太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的方法和途徑。
　　 1.在染料敏化太陽(yáng)能電池中，電解質(zhì)起到傳輸電子和空穴的作用。其中的添加劑的種類(lèi)對(duì)電池的性能有重要的影響，TBP和Li+是常用的添加劑。本文研究了TBP對(duì)納米晶TiO2電極的能帶結(jié)構(gòu)以及表面態(tài)影響，應(yīng)用光譜電化

3、學(xué)方法測(cè)定了納米晶TiO2電極在含有4-叔丁基吡啶(TBP)電解液中的平帶電勢(shì)(Efb)。TBP對(duì)納米晶TiO2電極的能帶結(jié)構(gòu)具有顯著的影響。在不含和含有0.2或0.4mol·L-1TBP的0.2mol·L-1高氯酸四丁基銨(TBAP)/乙腈溶液中，測(cè)得TiO2電極的Efo依次為-2.25，一2.46和-2.60V。當(dāng)加入Li+后，TiO2電極的Efb正移。在不含和含有0.2或0.4mol·L-1TBP的0.2mol·L-1LiClO4

4、/乙腈溶液中，測(cè)得TiO2電極的Efb依次為-1.12，-1.22和-1.30V。用時(shí)間分辨電流方法測(cè)定了陷阱態(tài)分布。在不含和含有0.2或0.4mol·L-1TBP的0.2mol·L-1TBAP/乙腈溶液中，測(cè)得TiO2電極的陷阱態(tài)密度依次為3.52×1016，3.18×1016和3.37×1016cm-2，陷阱態(tài)分布的最大值位于-1.99，-1.89和-1.85V處。Li+的加入進(jìn)一步減少了陷阱態(tài)密度。在不含和含有0.2或0.4mol

5、·L-1TBP的0.2mol·L-1LiClO4/乙腈溶液中，測(cè)得TiO2電極的陷阱態(tài)密度依次為8.39×1015，1.11×1016和9.22×1015cm-2，陷阱態(tài)分布的最大值位于-0.72，-0.84和-0.95V處。最后，我們研究了N3染料敏化的納米晶TiO2電極在含有不同濃度TBP的電解質(zhì)溶液中的光電化學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著TBP濃度的增加，Voc增大，使TiO2電極的光電轉(zhuǎn)化效率增加。
　　 2.通過(guò)表面修飾改

6、善染料敏化納米晶TiO2薄膜太陽(yáng)能電池的光電性能。因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體電極表面與電解質(zhì)之間缺少耗盡層，注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子容易與電解質(zhì)中的氧化性物質(zhì)發(fā)生電荷復(fù)合，這是制約染料敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)主要因素，因此降低電荷復(fù)合就成為改善電池的光電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。本文中我們用一種簡(jiǎn)便的方法在納米晶TiO2電極上修飾了SrCO3和BaSO4層，用紅外分析手段證明了SrCO3和BaSO4修飾層的存在，并研究了SrCO3和BaSO4修飾層厚

7、度對(duì)納米晶TiO2電極的電化學(xué)和光電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，SrCO3和BaSO4修飾層對(duì)納米晶TiO2電極的平帶電勢(shì)影響很小，修飾后使陷阱態(tài)密度顯著減小。實(shí)驗(yàn)表明，要獲得好的光電性能，需要優(yōu)化SrCO3和BaSO4修飾層的厚度。N3敏化修飾一層SrCO3的納米晶TiO2薄膜太陽(yáng)能電池在100mW/cm2的白光照射下的光電轉(zhuǎn)化效率值達(dá)到最大，為7.46％。N3敏化修飾二層BaSO4的納米晶TiO2薄膜太陽(yáng)能電池在100mW/cm2的白

8、光照射下的光電轉(zhuǎn)化效率值達(dá)到最大，為7.56％，比純的TiO2電極獲得的光電效率增大大約6％。
　　 3.本文中我們用一種簡(jiǎn)便的方法在N3敏化的納米晶TiO2電極的表面修飾了BaSO4層，用分析手段證明了納米晶TiO2電極表面BaSO4的存在。我們也研究了BaSO4修飾層厚度對(duì)電極的電化學(xué)和光電化學(xué)性能的影響。我們用光譜電化學(xué)的方法研究了BaSO4修飾層對(duì)N3敏化的納米晶TiO2電極的平帶電勢(shì)Efb的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用BaS