染料敏化太陽能電池光陽極研究.pdf

1、染料敏化納米晶太陽能電池由于其低廉的成本、簡單的工藝、環(huán)境友好以及高的轉化效率被認為可能取代傳統(tǒng)的硅太陽能電池,具有廣闊的應用前景。多孔納米晶TiO2光陽極作為染料敏化太陽能電池的工作電極,其表面性能和內部的電學性能決定了電池的轉化效率。TiO2光陽極的研究重點為TiO2納米晶的制備方法和成膜工藝,以及TiO2電極內部和TiO2電極與溶液界面的電荷輸運機制。但是目前仍然沒有一種可以簡單有效控制TiO2晶粒大小形貌的制備方法,薄膜制作工藝

2、也有待進一步的研究,比如顆粒晶粒大小、比表面積和膜厚等等工藝參數的選擇,TiO2電極材料需要進行優(yōu)化和結構的改進,因此對TiO2光陽極的研究是非常必要的。
　　基于上述問題,本論文采用理論分析和實驗相結合的方法對TiO2光陽極進行了深入的研究。理論上,采用第一性原理方法分析計算了摻雜TiO2的電子能帶結構,并分析了N摻雜和Ta摻雜對染料敏化納米晶太陽能電池的影響。實驗上,應用水熱法制備了不同晶粒大小的TiO2納米顆粒、N摻雜TiO

3、2微球和Ta摻雜TiO2微球,并制備TiO2電極組裝電池分析摻雜和微球形貌對電池性能的影響。本論文的主要工作如下:
　　(1)采用水熱法制備了納米TiO2顆粒,研究了不同水熱條件下TiO2的生長情況,通過調節(jié)硝酸量、水熱時間和水熱溫度來控制水解反應和水熱生長,達到精確控制TiO2晶粒尺寸的目的,解決光陽極制備的一個難題。同時用不同粒徑大小的TiO2顆粒,其范圍為10nm～25nm,制備了TiO2電極并組裝液態(tài)電池,發(fā)現20nmTi

4、O2獲得了最高的轉化效率7.20％。
　　(2)從理論上分析如何提高電池的光電轉換效率,采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法研究了N摻雜對TiO2電子能帶結構的影響,同時與TiO2中含氧空位情形的電子能帶結構做了對比分析,探討了N摻雜TiO2對電池性能的影響。
　　(3)采用水熱法制備了一系列的N摻雜納米TiO2微球,研究了不同的摻N量對電極的形貌,電池I-V特性以及電化學性能的影響。結果顯示N摻雜提高了電池的光電流密度

5、Jsc、開路電壓Voc以及光電轉化效率h,這與理論計算結果相吻合。Mott-Schottky測試表明N摻雜使得TiO2的平帶電勢負移,電化學阻抗譜測試表明 N摻雜增強了TiO2電極和電解質之間的界面阻抗,從而阻礙了TiO2電極和電解質之間的界面復合,有利于提高電池的開路電壓Voc。IMPS測試表明N摻雜提高了電子在TiO2薄膜內的傳輸速度,從而增加了電池的短路電流Jsc。使用N719染料和準固態(tài)電解質,N摻雜TiO2微球電池的轉化效率達

6、到了6.01％。
　　(4)采用第一性原理方法計算研究了Ta摻雜替代TiO2中不同配位的Ti原子TiO2的電子能帶結構,探討了Ta摻雜TiO2對電池性能的影響。
　　(5)采用水熱法制備了一系列的Ta摻雜納米TiO2微球,研究了不同水熱溫度和Ta摻雜對電極的形貌,電池I-V特性以及電化學性能的影響。發(fā)現提高水熱溫度和Ta摻雜都可以明顯改善電池的許多方面性能參數,且與理論計算相符合,準固態(tài)染料電池的轉化效率可提高到6.97％。