TiO_2基染料敏化太阳能电池光阳极薄膜结构的设计与调控

【摘要】：世界能源问题主要是能源短缺与需求之间的矛盾以及能源利用与环境保护之间的矛盾。非再生能源的大量开采和利用，已经使其濒临枯竭。因此，人们将目光投向新型、清洁的可再生能源。其中，太阳能作为巨大和永恒的清洁可再生能源已成为人类最优先考虑开发的能源之一。太阳能的利用本质上是将光能转换为可利用的能量形式，例如，电能和热能，其中，基于光电转化原理的太阳能电池可直接将光能转换为电能，并且具有较高的理论转换效率，因此受到广泛关注。太阳能电池发展至今，已经发展到第三代，在第三代光伏器件当中，染料敏化太阳能电池（DSSCs）具有转换效率较高、制作工艺简单、成本较低、制作能耗回收周期较短等优点，被认为是第三代太阳能电池中最具潜力的候选者之一。 在DSSCs电池结构中，光阳极材料发挥如下作用：一是作为染料的载体，二是作为入射光散射的媒介，三是作为载流子传输的平台，因此要求其具有大的比表面积、适中的尺寸和结构以及良好的导电性。TiO2不仅具有和染料匹配的能级位置和禁带宽度，而且具有上述的优良特性，因此是目前为止研究最多的光阳极材料。分等级结构TiO2兼具大比表面积和优良的光电特性，其设计、制备以及在构建高性能光阳极结构中的应用已成为近些年来国内外研究的热点。本论文面向高性能DSSCs光阳极的构筑，系统开展了分等级结构TiO2的设计和可控制备、新型光阳极结构的设计与制作以及TiO2的结构与电池特性间关系的研究。具体研究内容包括： （1）为了提高TiO2的比表面积和光电特性，以商用的P25TiO2粉体作为出发原料，在强碱环境下，通过不添加与添加双氧水，利用水热合成方法分别成功地制备出具有超大比表面积的三维纳米筛结构（nanomesh structure）和海胆状结构（urchin-like structure）TiO2纳米材料（424m2g-1和392m2g-1）。并以所制备的分等级结构的TiO2作为光散射层、P25作为透过层、P25+分等级结构作为混合层构建了新型的TiO2光阳极结构，DSSCs的光电转换效率的提升幅度分别为47%和36%。 （2）融合水热生长和强碱腐蚀方法，在FTO衬底上成功地制备出顶层为TiO2纳米花冠、底层是TiO2纳米森林（TC-BF）的复合纳米结构，对其进行了形貌（SEM、TEM）和结构（XRD）表征。利用所制备的新颖光阳极结构制作了DSSCs，发现纳米森林密度最大的光阳极具有最大的光电转换效率，可归因于其光散射、染料吸附以及电子传输等性能的大幅度提升。 （3）以钛酸四正丁酯为钛源，以二乙撑三胺为结构导向剂，利用水热合成法制备了具有核壳结构的介孔TiO2，以上述材料为散射层、P25为透过层制作了光阳极。由于核壳结构的“光阱”作用，光散射效果显著提升，介孔结构增强了对染料的吸附能力，所制备TiO2分等级结构的双重特性使得DSSCs的光电性能明显提升，与单纯的P25相比，光电转换效率上升了38%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 微/纳结构TiO2 光阳极薄膜微结构 微米花冠-纳米森林 介孔-核壳
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-41
• 1.1 太阳能电池发展概述11-29
• 1.1.1 能源概述11-15
• 1.1.2 光电效应15-18
• 1.1.3 太阳能电池的种类18-24
• 1.1.4 太阳能电池的几项重要参数24-29
• 1.2 半导体纳米材料在染料敏化太阳能电池中的应用29-40
• 1.2.1 DSSCs 半导体薄膜材料的种类29-30
• 1.2.2 DSSCs 半导体薄膜材料的形态结构30-39
• 1.2.3 DSSCs 器件的结构设计39-40
• 1.3 论文研究思路40-41
• 第2章 P25颗粒改性制备特殊形貌TIO_2及其在DSSCS中的应用41-70
• 2.1 引言41-43
• 2.2 实验部分43-48
• 2.2.1 实验材料与仪器43-45
• 2.2.2 器件的制备45-47
• 2.2.3 器件的测试47-48
• 2.3 结果与讨论48-68
• 2.3.1 TiO_2粉体材料结构表征48-53
• 2.3.2 纳米筛 TiO_2光阳极结构设计及其光电性能53-59
• 2.3.3 海胆状 TiO_2光阳极结构设计及其光电性能59-68
• 2.4 本章小结68-70
• 第3章 纳米棒阵列改性制备有序TIO_2薄膜及其DSSCS 性能70-84
• 3.1 引言70-72
• 3.2 实验部分72-73
• 3.2.1 实验材料与仪器72-73
• 3.2.2 测试手段73
• 3.3 结果与讨论73-82
• 3.3.1 有序 TiO_2薄膜结构表征73-76
• 3.3.2 有序 TiO_2薄膜光阳极的光谱性质76-77
• 3.3.3 有序 TiO_2光阳极的DSSCs 器件性能77-82
• 3.4 本章小结82-84
• 第4章 核壳-介孔结构TIO_2纳米球的制备及其在DSSCS中的应用84-100
• 4.1 引言84-85
• 4.2 实验部分85-87
• 4.2.1 实验材料与仪器85
• 4.2.2 器件的制备85-87
• 4.2.3 器件的测试87
• 4.3 结果与讨论87-98
• 4.3.1 核壳-介孔结构材料表征87-88
• 4.3.2 材料生长调控与机理分析88-91
• 4.3.3 核壳-介孔结构 TiO_2纳米球光阳极的光谱性质91-93
• 4.3.4 核壳-介孔结构 TiO_2纳米球光阳极的DSSCs 器件性能93-98
• 4.4 本章小结98-100
• 第5章 结论与展望100-102
• 参考文献102-127
• 作者简历127-129
• 致谢129

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