原位生長摻雜TiO2薄膜電極及其光電轉(zhuǎn)換性能研究.pdf

1、TiO2薄膜電極是染料敏化太陽能電池的重要組成部分。制備工藝簡便，成本低廉，與基體結(jié)合牢固的TiO2薄膜電極有利于推動染料敏化太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。本論文采用微等離子體氧化法在鈦表面原位生長與基體結(jié)合力好和大面積的TiO2薄膜電極。
　　研究了電解液體系、電流密度、電壓、電解質(zhì)濃度、反應(yīng)時間和敏化工藝對的TiO2薄膜光電性能的影響。通過優(yōu)化工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了 TiO2薄膜電極的原位生長。以(NH4)2SO4為電解液體系，當(dāng)電流密度

2、為14A/dm2、電壓為245V、電解質(zhì)濃度為0.5mol/L、反應(yīng)時間為10min，敏化溫度為25℃，染料濃度為0.2mmol/L時，所得 TiO2薄膜電極的光電性能較好，開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率分別為652mV、149μA/cm2、0.39和0.095％。
　　研究了N、S和Nd單獨(dú)摻雜及N與Nd復(fù)合摻雜對原位生長TiO2薄膜電極光電性能的影響。結(jié)果表明，N、S、Nd單獨(dú)摻雜和N與Nd復(fù)合摻雜均可顯著提高原位

3、生長 TiO2薄膜電極光電性能，其中單獨(dú)摻雜 TiO2薄膜電極的光電性能優(yōu)于復(fù)合摻雜，N摻雜 TiO2薄膜電極的光電性能最好，開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了701mV、165μA/cm2、0.42和0.121%。
　　利用 SEM、XRD、XPS、UV-vis DRS和EIS等分析手段，對摻雜前后所得 TiO2薄膜電極表面形貌、晶胞參數(shù)、晶粒大小、吸收光譜及內(nèi)部阻抗進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，所得薄膜是由金紅石

4、型 TiO2為主晶相，同時含有少量的Ti組成，并且表面存在大量分布均勻的微孔。摻雜使 TiO2的晶胞體積發(fā)生膨脹，晶粒尺寸、禁帶寬度和內(nèi)部阻抗減小。其中Nd摻雜使TiO2薄膜禁帶寬度減小程度最大，而N摻雜使內(nèi)部阻抗減小程度最大。
　　通過研究原位生長 TiO2薄膜電極的光誘導(dǎo)電子反應(yīng)和光電子界面動力學(xué)行為發(fā)現(xiàn)，原位生長 TiO2薄膜電極能夠發(fā)生光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)光生電子的快速注入，并且較小的TiO2晶粒尺寸和內(nèi)部阻抗能夠減少光生

5、電子在界面處的湮沒。利用第一性原理計算了 N和Nd摻雜前后原位生長 TiO2薄膜電極的能帶結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果表明摻雜后的TiO2能帶結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了雜質(zhì)能級，使其禁帶寬度變小，計算結(jié)果與實(shí)驗值符合較好，這進(jìn)一步證明摻雜改性可以調(diào)節(jié)原位生長TiO2薄膜電極的能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高其光電性能。
　　探討了原位生長摻雜 TiO2薄膜電極的光電轉(zhuǎn)換行為，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸、內(nèi)部阻抗和禁帶寬度對原位生長 TiO2薄膜電極光電性能的影響是三者共同作用的結(jié)果，三