二氧化钛纳米阵列的制备及其光电性能的研究

发布时间：2020-05-21 15:19

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于其易于组装、相对较低成本和相对较高的光电转换效率,使其成为有前景的第三代太阳能电池,也因此广泛的引起了研究者的注意。目前所报道的DSSCs的光电转换效率已经提高到了14.3%。传统的DSSCs的光阳极薄膜是由二氧化钛纳米颗粒无规则堆积而成的,具有较大的比表面积,使得二氧化钛纳米颗粒光阳极薄膜能吸附更多的染料。然而,二氧化钛纳米颗粒薄膜存在许多晶界,阻碍了电子的传输,也加重了电荷的复合。为了解决纳米颗粒薄膜存在的问题,研究者们对光阳极的结构和形貌进行重新设计,以提高电子的传输能力和减小电子的复合率。一维二氧化钛纳米结构(纳米管阵列,纳米线阵列和纳米棒阵列)由于其拥有优越的光生电荷分离和传输性能,能提高电子的传输和电子复合的发生,因此使得其在DSSCs中引起广泛的研究。然而,因为一维纳米主干具有较大的直径和一维结构之间有较大的空间间隙,使得一维纳米结构的光伏性能较差。因此可以通过延长二氧化钛纳米线的长度或通过制备分等级纳米阵列这两种方法解决一维纳米结构的较少染料吸附量和较弱的光散射等问题。因此本论文从上述的两种方法出发,进一步提高染料敏化太阳能电池的光电转化性能。具体研究内容及成果如下:1.超长的芽状分支的二氧化钛纳米线阵列的制备。通过两步溶剂热法在FTO导电玻璃上制备出超长的芽状分支的二氧化钛纳米线阵列。第一步在FTO导电玻璃基底上制备出长约48mm的锐钛矿相的二氧化钛纳米线。第二步在二氧化钛纳米线主干的表面上生长出金红石相二氧化钛纳米棒分支。芽状分支的二氧化钛纳米线阵列光阳极的光电转换效率为6.00%,这是二氧化钛纳米线光阳极的2.88倍。芽状分支的二氧化钛纳米线阵列光阳极具有优越的光电表现,是因为这种分等级结构维持了一维二氧化钛纳米线所拥有的高效的电荷分离和传输性能,并且芽状分支使得分等级纳米线阵列结构提高了染料的吸附量和光散射能力。2.双二氧化钛纳米线的制备。第一次通过两步水热法在FTO导电玻璃上制备出底部垂直和顶端弯曲的锐钛矿相的双二氧化钛纳米线。第一步在FTO导电玻璃基底上制备得到长约49mm和直径为250-450 nm的单纳米线。第二步直径较小(40-80 nm)的二氧化钛纳米线缠绕着直径较大的TiO_2纳米线,因此形成了有网状结构的双纳米线。二氧化钛双纳米线光阳极的光电转换效率为5.30%,这比二氧化钛单纳米线光阳极的光电转换效率(2.36%)要高。这是因为双纳米线光阳极维持了优越的电子传输,也提高了比表面积和光散射能力。另外再将双纳米线光阳极通过TiO_2纳米晶的处理后作为光阳极,得到其光电转换效率为7.65%。3.锐钛矿相二氧化钛纳米线原位转化为锐钛矿相二氧化钛纳米管。第一次直接将FTO导电玻璃基底上的锐钛矿相TiO_2纳米线原位转化为锐钛矿相分等级的TiO_2纳米管。第一步通过溶剂热反应制备超长的锐钛矿相的二氧化钛纳米线。第二步通过溶剂热反应将锐钛矿相二氧化钛纳米线转化为表面有大量纳米片修饰的分等级锐钛矿相二氧化钛纳米管。分等级二氧化钛纳米管薄膜表面有大量的纳米片,因此拥有较大的比表面积和优越的光散射性能。分等级二氧化钛纳米管光阳极的光电转换效率为5.96%,这比原有的二氧化钛纳米线光阳极的基础上增加了181%。另外,TiO_2纳米晶处理后的分等级锐钛矿相二氧化钛纳米管光阳极的光电转换效率为7.54%。
【图文】：

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图 1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理。Figure 1.2 The mechanism of dye-sensitized solar cell.化太阳能电池的性能参数敏化太阳能电池的光电流-电压曲线电压曲线（I-V 曲线）可以直接判断染料敏化太阳能电池的性化太阳能电池典型的 I-V 曲线[29]。路电流（Isc）：短路电流是 I-V 曲线在纵坐标（y 轴）的截距流的大小与激发态染料分子和电子注入导带的数目，电荷在和损耗等有关。路电压（Voc）：开路电压是 I-V 曲线在横坐标（x 轴）的截距压取决于半导体的费米能级（Efemi）与电解质的氧化还原电

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海南师范大学硕士学位论文（Popt）与输入功率（Pin）之比，即：inocscinoptPFFVIPP 看出，，最大输出电流（Iopt）和最大输出电压（Vop。Voc和 Isc所围成的矩形面积为理论上能产生的最大输出功率与输入功率的比值为 FF，则 FF 是一Voc和 Isc是染料敏化太阳能电池重要参数，因为较而当两个电池的 Voc和 Isc一样时，FF 就成为了制约
【学位授予单位】：海南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ134.11;TB383.1

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