基于TiO_2光阳极染料敏化太阳能电池的制备与性能研究

【摘要】：随着世界经济的高速发展,传统能源逐渐枯竭,能源危机和环境问题已经成为当今世界各国面临的共同问题,研发可再生清洁能源是解决能源与环境问题的有效途径之一。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,利用太阳能的有效方式之一是研发太阳能光伏电池,如何构建高效的太阳能电池是太阳能开发过程中的核心问题。新兴第三代电池中的染料敏化太阳能电池(DSSCs)相比于传统太阳能电池,具有制备工艺简单、转化效率高、成本较低、无污染等优点。但是,目前的DSSCs转换效率仍无法达到工业化生产的要求,因此必须对其继续进行深入系统的研究。TiO2光阳极作为DSSCs的核心部分,是决定电池光电转换效率的关键因素。采用多样化的制备技术以及掺杂、复合等方法以提高Ti02光阳极对太阳光的有效利用率,提高光电转换效率是目前DSSCs重要的研究课题,具有重要的理论意义和工业应用价值。本文主要研究内容如下：(1)采用简单可控的水热法合成了CdS量子点(QDs)敏化锐钛矿Ti02分级纳米结构。对Ti02表面以硫代乳酸处理,为Cd2+提供生长位点,并通过调节硫代乳酸的浓度控制CdS QDs的尺寸大小。结果表明CdS QDs/TiO2分级异质结纳米结构的光吸收表现出明显的从紫外光区域到可见光区域的红移。基于7.6nm的CdS QDs/TiO2分级异质结纳米结构的DSSCs展现出6.09 mA cm-2的短路电流密度和3.06%的光电转换效率,优于纯TiO2分级结构材料的电池性能。电池性能提高归因于CdS QDs/TiO2分级异质结纳米结构独特的微观形貌,CdS与TiO2两者的能带匹配能够促进光生空穴-电子对的分离。(2)以十六胺为结构导向剂和水合肼为氮源,通过溶胶-凝胶法和水热法相结合的方法制备了氮掺杂锐钛矿TiO2/CuxO核／壳介孔异质结构。在标准模拟太阳光照射下,基于锐钛矿TiO2/CuO核／壳介孔结构光阳极的DSSCs显示出9.60 mA cm-2的短路电流密度和3.86%的光电转换效率。所形成异质结构的CuxO和Ti02间的带隙匹配可以有效诱导光生电子和空穴的分离,提高电子注入效率。相比于未掺杂TiO2/CuxO核／壳介孔结构材料,基于氮掺杂锐钛矿TiO2/CuxO核／壳介孔结构的DSSCs显示出较高的短路电流密度和光电转换效率,分别达到13.24 mA cm-2口4.57%。这是由于氮掺入TiO2晶格中可使材料光吸收范围从紫外扩展到可见光区域,并且异质结的形成有效地抑制了电子-空穴对再复合的几率。(3)采用简单的水热方法,通过调整前驱物中Sr和Ti的摩尔比,制备了微观形貌、相组成和比表面积可调、结构新颖的SrTiO3/TiO2纳米片异质结构材料。所合成的这种SrTiO3/TiO2异质结构具有大的比表面积和孔结构,因此能够有效地增加染料的负载量,进而提高光生载流子的数量。同时,在SrTiO3/TiO2异质结构之间形成了这种独特的能带匹配结构,能够有效地促进光生载流子对的分离。通过光致发光光谱(PL)、电化学阻抗测试(EIS)、光电子转换效率(IPCE)等测试结果表明,基于SrTiO3/TiO2纳米片异质结的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的电子-空穴对的复合几率降低,电子寿命延长。相比于纯Ti02纳米片光阳极的DSSCs,基于纳米片异质结的DSSCs的光电转换效率和短路电流有了显著的提高。电池获得的最大短路电流和光电转换效率分别达到12.55 mA cm-2和7.42%。(4)通过简单溶胶-凝胶和水热法设计制备了一种新颖的Au/TiO2纳米空心球材料,Au纳米颗粒均匀地嵌入在Ti02空心球内。利用这种材料的增强入射光吸收能力、染料吸附能力与Ti02和Au纳米颗粒间的局域表面等离子体共振(LSPR)效应来提高电池的光电转换性能。使用所制备的Au/TiO2纳米空心球材料组装成电池并测试其性能。紫外可见漫反射(DRS)和单色光入射效率(IPCE)结果表明,基于Au/TiO2复合材料的DSSCs展现出较高的入射光子吸收能力。短路电流-开路电压曲线(J-V)表明基于Au/TiO2复合材料的DSSCs的光电转换效率高于纯Ti02空心球DSSCs 的光电转换效率。特别是,当Au/TiO2质量比为5%时,电池展现出高达7.57%的光电转换效率,比纯Ti02空心球的提高了近39%。而且,光致发光(PL)光谱和电化学阻抗(EIS)谱证实了由Au和Ti02之间的电子与空穴的分离导致了光生电子寿命的延长。充分发挥了Au修饰在提高DSSCs'性能中起到的等离子体增强效应,为今后设计和构造性能优异的DSSCs提供了一定的设计思路。(5)以制备的聚苯乙烯球光子晶体为模板,Ti02凝胶浸渍入模板制备3DTi02反蛋白石结构薄膜,加入P123进一步增大其比表面积。并采用氧化还原法和连续离子层吸附法相结合的方法制备了Au@TiO2反蛋白石结构薄膜和CdS@Au@TiO2反蛋白石结构薄膜,深入系统研究了各种薄膜材料作为光阳极在DSSCs中的应用和性能特征。研究表明,基十Ti02反蛋白石结构光阳极的DSSCs的短路电流密度和光电转换效率分别为9.18 mA cm-2和4.89%,Au修饰和CdS@Au修饰的光阳极的DSSCs的短路电流密度分别为10.63和11.78 mAcm-2,光电转换效率分别为5.57%和6.51%。光电性能的提高归因于P123修饰3D Ti02反蛋白石结构的独特的结构形貌和大比表面积,Au纳米颗粒的等离子体表面增强效应,窄带隙CdS加入使得光阳极薄膜的光吸收范围拓宽、电子空穴-电子对的复合得到有效抑制。 【关键词】：TiO_2光阳极 太阳能电池 半导体带隙 钛酸锶 等离子增强效应 TiO_2反蛋白石结构
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4;TQ134.11
【目录】：

• 摘要11-14
• ABSTRACT14-18
• 第一章 绪论18-52
• 1.1 研究背景18-22
• 1.1.1 太阳能电池发展历史简介18-21
• 1.1.2 太阳能电池的分类21-22
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSSCs)22-30
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的基本结构23-27
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的工作原理27-28
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池(DSSCs)的光电性能参数28-30
• 1.3 染料敏化太阳能电池(DSSCs)光阳极TiO_2薄膜的研究进展30-49
• 1.3.1 TiO_2纳米材料光阳极薄膜32-36
• 1.3.2 表面修饰TiO_2光阳极薄膜36-38
• 1.3.3 离子掺杂TiO_2光阳极薄膜38-40
• 1.3.4 量子点修饰TiO_2光阳极薄膜40-42
• 1.3.5 氧化物复合TiO_2光阳极薄膜42-44
• 1.3.6 贵金属修饰TiO_2光阳极薄膜44-47
• 1.3.7 光子晶体光阳极薄膜47-49
• 1.4 本文的意义及主要研究内容49-52
• 第二章 CdS量子点敏化锐钛矿TiO_2分级结构的光电性能研究52-72
• 2.1 引言52-53
• 2.2 实验部分53-56
• 2.2.1 TiO_2纳米分级结构的制备53
• 2.2.2 CdS QDs修饰TiO_2纳米分级结构的制备53-54
• 2.2.3 太阳能电池制备54-55
• 2.2.4 结构表征55
• 2.2.5 电池性能表征55-56
• 2.3 结果分析与讨论56-70
• 2.3.1 结构与物相分析56-59
• 2.3.2 氮气吸脱附特性分析59-61
• 2.3.3 光学性能分析61-65
• 2.3.4 太阳能电池性能分析65-70
• 2.4 本章小结70-72
• 第三章 氮掺杂TiO_2/Cu_xO核壳介孔结构在高效染料敏化太阳能电池中的应用72-90
• 3.1 前言72-73
• 3.2 实验部分73-74
• 3.2.1 氮掺杂TiO_2/Cu_xO杂化核壳结构的制备73-74
• 3.2.2 太阳能电池组装74
• 3.2.3 结构表征74
• 3.2.4 电池性能表征74
• 3.3 结果分析与讨论74-88
• 3.3.1 XRD分析74-75
• 3.3.2 XPS表征75-77
• 3.3.3 SEM分析77-78
• 3.3.4 TEM分析78-80
• 3.3.5 氮气吸脱附特性分析80-81
• 3.3.6 紫外-可见吸收(UV-vis)性能分析81-83
• 3.3.7 紫外可见漫反射(DRS)性能分析83-84
• 3.3.8 电化学交流阻抗(EIS)性能分析84-85
• 3.3.9 太阳能电池性能(J-V曲线)分析85-87
• 3.3.10 太阳能电池性能(IPCE曲线)分析87-88
• 3.4 本章小结88-90
• 第四章 可调控SrTiO_3/TiO_2异质结纳米材料的染料敏化太阳能电池性能研究90-110
• 4.1 前言90-92
• 4.2 实验部分92-93
• 4.2.1 SrTiO_3/TiO_2异质结纳米结构的制备92
• 4.2.2 染料敏化太阳能电池的制作92
• 4.2.3 结构与性能表征92-93
• 4.3 结果与讨论93-109
• 4.3.1 XRD分析93-94
• 4.3.2 SEM分析94-95
• 4.3.3 TEM分析95-98
• 4.3.4 XPS表征98-99
• 4.3.5 BET结果分析99-101
• 4.3.6 光学性能分析101-102
• 4.3.7 电池性能分析102-107
• 4.3.8 机理分析107-109
• 4.4 本章小结109-110
• 第五章 等离子体增强纳米介孔TiO_2空心球在DSSCs中的应用和性能研究110-126
• 5.1 前言110-111
• 5.2 实验部分111-112
• 5.2.1 Au/TiO_2核壳空心球型结构的制备111-112
• 5.2.2 染料敏化太阳能电池的制作112
• 5.2.3 结构与性能表征112
• 5.3 结果与讨论112-124
• 5.3.1 结构性能表征112-117
• 5.3.2 光学性能分析117-119
• 5.3.3 电池性能分析119-123
• 5.3.4 机理分析123-124
• 5.4 本章小结124-126
• 第六章 基于CdS@Au@TiO_2 IOs的Z-scheme高效染料敏化太阳能电池性能研究126-144
• 6.1 前言126-127
• 6.2 实验部分127-129
• 6.2.1 CdS@Au@TiO_2反蛋白石结构材料的制备127-129
• 6.2.2 染料敏化太阳能电池的制作129
• 6.2.3 结构与性能表征129
• 6.3 结果与讨论129-142
• 6.3.1 XRD图谱分析129-130
• 6.3.2 SEM分析130-133
• 6.3.3 TEM分析133-135
• 6.3.4 EDS分析135-136
• 6.3.5 光学性能分析136-138
• 6.3.6 电池性能分析138-140
• 6.3.7 机理分析140-142
• 6.4 本章小结142-144
• 第七章 结论与展望144-148
• 7.1 结论144-145
• 7.2 主要创新点145
• 7.3 展望145-148
• 参考文献148-170
• 致谢170-172
• 攻读博士学位期间发表的学术论文172-174
• 攻读博士学位期间参与的科研项目174
• 攻读博士学位期间获奖情况174-175
• 附件175-202

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