非晶态纳米TiO2介孔薄膜的制备与光电转换性能研究

论文摘要

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cell,DSC）具有较常规太阳能电池成本更低且绿色环保的优点,是一种很有发展前途的太阳能光电转换新技术。DSC光电转换效率虽然还不够高,但由于其成本低廉,仅为单晶硅太阳能电池的1/10,可以通过大面积使用来弥补其效率低的不足。因此,非常适合于与建筑相结合使用,如建筑外墙、屋顶、门窗、玻璃幕墙等,有望成为最有发展前途的大面积供电系统。TiO2介孔薄膜是目前DSC使用最为普遍的光电极材料,在DSC中作为染料的承载体,并起到光生电子接收体和传输体的作用,是决定DSC光电转换性能的关键组分部分。TiO2介孔薄膜要成为产业化发展和大面积使用的DSC光电极材料,还存在以下问题:1)TiO2薄膜的制备方法还有待改善,需要一种工艺更简单、更易于控制的制备方法;2)TiO2薄膜光电极性能波动性有待改善;3)TiO2薄膜光电极的光电转换效率仍然有待提高。本论文尝试采用非晶态TiO2介孔薄膜作为DSC光电极材料来解决以上问题。采用四氢呋喃改性CTAB/水/正丁醇/环己烷反胶团微乳液法在常压、50～60℃下合成出尺寸20nm左右、高度分散的球形纳米颗粒,将其胶体前驱液直接涂膜,通过干燥、烧结,成功制备出均匀的非晶态TiO2介孔薄膜。该制备方法由于无需控制TiO2的晶体生长过程,因而大大降低了TiO2纳米颗粒的合成条件;由于从TiO2的胶体前驱液直接涂膜,在干燥和烧结过程中不会发生开裂、剥落现象,而得到由球形纳米颗粒相互连接形成的均匀TiO2介孔薄膜,因此大大简化了薄膜的制备工艺。在相同条件下比较测试了非晶态TiO2介孔薄膜和纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜的染料吸附量以及所组装DSC的光电转换性能指标,如短路光电流（Isc）、开路光电压（Voc）、填充因子（ff）和总光电转换效率（η）。试验结果表明,当薄膜厚度在3～16μm范围内变化时,非晶态TiO2介孔薄膜的染料吸附量比纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜少1.18～5.76×10-8mol/cm2,该差距随薄膜厚度的增加愈加明显。但是,在染料吸附量小得多的情况下,非晶态TiO2介孔薄膜光电极却能够产生与纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜光电极相当的Isc,并得到更高的Voc和ff,从而使得其获得较高的η。在相同条件下,非晶态TiO2介孔薄膜光电极的最大η为5.37%,纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜光电极获得的最大η为4.69%。对比研究了非晶态TiO2介孔薄膜和纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜的电学性质和光学性质。发现非晶态TiO2介孔薄膜对可见光具有强散射效应,而纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜对可见光的散射较弱,这使得吸附了染料的非晶态TiO2薄膜光电极的光利用率高于吸附了染料的纳米晶锐钛矿TiO2薄膜光电极。此外,采用FTO导电玻璃作为与TiO2面接触的两极,测试了TiO2薄膜在光照下的电阻值R。发现在吸附染料的情况下,非晶态TiO2介孔薄膜的R值比纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜的小一个数量级;在未吸附染料的情况下也得到同样的结果。说明电子在非晶态TiO2介孔薄膜中输运的效率要高于在纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜中的输运。基于非晶态TiO2介孔薄膜特殊的光学和电学性质,以及纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜对染料的强吸附性,将两种薄膜复合成双层结构的非晶态/纳米晶TiO2介孔薄膜,发挥两种薄膜材料各自的优势,使其DSC的总光电转换效率η达到了6.89%,比单独由非晶态TiO2介孔薄膜和纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜组装的DSC的总光电转换效率提高了28%左右。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理

1.1.1 DSC 的结构

1.1.2 DSC 的工作原理

1.1.3 DSC 的光电转换性能评价参数

1.2 DSC 主要材料性质及作用

1.2.1 光敏剂染料

1.2.2 氧化还原电解质

1.2.3 半导体纳米晶薄膜

2 薄膜电极的发展现状和存在问题'>1.3 TiO₂薄膜电极的发展现状和存在问题

2 薄膜电极发展现状'>1.3.1 TiO₂薄膜电极发展现状

2 薄膜电极存在的问题'>1.3.2 TiO₂薄膜电极存在的问题

1.4 本课题的提出

2 作为DSC 光电极材料'>1.4.1 采用非晶态TiO₂ 作为DSC 光电极材料

2 薄膜光电极'>1.4.2 制备高性能的非晶态TiO₂薄膜光电极

1.5 本论文的研究内容

2 材料、设备及实验方法

2.1 原材料及设备

2.1.1 原材料

2.1.2 主要仪器设备

2.2 实验方法

2 介孔薄膜'>2.2.1 制备TiO₂介孔薄膜

2.2.2 组装DSC

2.2.3 测试技术

2 介孔薄膜光电极制备及性质影响因素'>3 非晶态TiO₂介孔薄膜光电极制备及性质影响因素

2 介孔薄膜的反胶团微乳液法'>3.1 用于制备非晶态TiO₂介孔薄膜的反胶团微乳液法

3.1.1 反胶团微乳液法合成无机纳米颗粒

2 介孔薄膜'>3.1.2 反胶团微乳液法制备非晶态纳米TiO₂介孔薄膜

2 介孔薄膜存在的问题'>3.1.3 反胶团微乳液法制备非晶态纳米TiO₂介孔薄膜存在的问题

3.1.4 四氢呋喃对反胶团微乳液的改性

2 介孔薄膜微观结构形态的影响'>3.2 反胶团微乳液体系参数对非晶态TiO₂介孔薄膜微观结构形态的影响

3.2.1 反应物浓度的影响

3.2.2 表面活性剂分子膜柔性的影响

3.2.3 反应温度的影响

3.2.4 颗粒熟化的影响

2 介孔薄膜的改性作用'>3.3 四氢呋喃对反胶团微乳液法制备非晶体TiO₂介孔薄膜的改性作用

3.3.1 四氢呋喃对 CTAB/水/正丁醇/环己烷四组分反胶团微乳液体系的影响

3.3.2 四氢呋喃对胶体前驱液的影响

2 介孔薄膜结构形态的影响'>3.3.3 四氢呋喃对非晶态TiO₂介孔薄膜结构形态的影响

2 介孔薄膜制备体系参数与其光电极性质和光电转换性能的关系'>3.4 非晶态TiO₂介孔薄膜制备体系参数与其光电极性质和光电转换性能的关系

3.4.1 反应物浓度的影响

3.4.2 反应温度的影响

3.4.3 颗粒熟化的影响

3.4.4 四氢呋喃的影响

3.5 本章小结

2介孔薄膜光电极与纳米晶锐钛矿TiO₂ 介孔薄膜光电极的比较'>4 非晶态TiO₂介孔薄膜光电极与纳米晶锐钛矿TiO₂介孔薄膜光电极的比较

2薄膜与纳米晶TiO₂ 薄膜微结构性质与表面形态的比较'>4.1 非晶态TiO₂薄膜与纳米晶TiO₂薄膜微结构性质与表面形态的比较

2薄膜光电极与纳米晶TiO₂ 薄膜光电极性质的比较'>4.2 非晶态TiO₂薄膜光电极与纳米晶TiO₂薄膜光电极性质的比较

2 薄膜的染料吸附'>4.2.1 TiO₂薄膜的染料吸附

2 薄膜的光吸收性质'>4.2.2 TiO₂薄膜的光吸收性质

2 薄膜的电阻'>4.2.3 TiO₂薄膜的电阻

2薄膜光电极与纳米晶TiO₂ 薄膜光电极光电转换性能的比较'>4.3 非晶态TiO₂薄膜光电极与纳米晶TiO₂薄膜光电极光电转换性能的比较

sc)'>4.3.1 短路光电流(I_sc)

oc)'>4.3.2 开路光电压(V_oc)

4.3.3 填充因子（ff）

4.3.4 总光电转换效率（η）

4.4 本章小结

2 复合薄膜光电极性能研究'>5 非晶态/纳米晶TiO₂复合薄膜光电极性能研究

5.1 复合薄膜光电极在DSC 中的应用

5.1.1 DSC 复合薄膜光电极的复合方式

5.1.2 DSC 复合薄膜光电极的性能改善原理

2 复合薄膜光电极'>5.2 非晶态/纳米晶TiO₂复合薄膜光电极

2 复合薄膜光电极的性能改善原理'>5.2.1 非晶态/纳米晶TiO₂复合薄膜光电极的性能改善原理

5.2.2 复合方式对光电转换性能的影响

5.2.3 复合结构对光电转换性能的影响

2 复合薄膜对DSC 光电转换性能的改善'>5.2.4 AM/CM-TiO₂ 复合薄膜对DSC 光电转换性能的改善

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录

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