二氧化钛纳米阵列及其在柔性染料敏化太阳能电池中的应用研究

发布时间：2017-06-14 16:17

  本文关键词：二氧化钛纳米阵列及其在柔性染料敏化太阳能电池中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：伴随着化石燃料的使用带来的日益严峻的环境污染和资源枯竭问题,人类对于清洁能源的需求已十分迫切。太阳能作为万物之源,具有能量巨大、可持续、清洁方便等优点,而利用太阳能发电则是太阳能利用的重要形式。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)自被开发出来就成为材料科学、物理、化学等交叉领域的研究热点,它具有易制造、低成本、无污染、高光电转换效率等优点。而随着柔性以及可穿戴电子设备的日趋流行,柔性DSSCs作为供能设备具有重要的研究意义。在此基础上,本文对二氧化钛(TiO_2)纳米阵列及其它在刚性和柔性DSSCs中的应用进行了以下几方面的研究:(1)水热生长出TiO_2金红石相纳米线阵列,再通过进一步水热刻蚀的方法将其转换成为纳米管阵列,这使得表面积获得巨大提高。当作为DSSCs的光阳极时,其显著增大的表面积以及光散射能力使电池的光电转换效率从1.6%提升到3.4%,增加约一倍。(2)水热生长出TiO_2锐钛矿相分枝纳米管阵列,相比于金红石纳米线/管阵列,它具有更大的比表面积,而且锐钛矿相TiO_2光阳极的性能往往优越很多,所以它能实现更高的光电转换效率(5.08%)。为了进一步提高光阳极的性能,基于这种TiO_2分枝纳米管阵列,构建一种双层结构光阳极。这种双层结构能充分利用纳米颗粒的巨大比表面积以及一维纳米管阵列优秀的电子传输能力,其DSSCs实现了7.24%的光电转换效率,相比于纯P25DSSCs(5.50%)或纯分枝纳米管DSSCs(5.08%)获得了巨大提高。(3)在刚性基底获得成功后,进一步以柔韧性好的钛丝网为基底,制备出三种不同的TiO_2纳米阵列:纳米管、纳米线和分枝纳米线。通过两步水热法制备的分枝纳米线实现了最高的光电转换效率(1.76%),这比最常用的电化学氧化法得到的纳米管材料要高(1.52%)。我们还进一步研究了柔性DSSCs的对电极,商用墨水可以作为一种轻质、高效、低成本的对电极选择。最后,将柔性的光阳极与对电极组合起来制备出完整密封的DSSCs器件,该柔性DSSCs弯折300次后,性能只衰减了~12%,展示出在可穿戴电子设备领域良好的应用前景。
【关键词】：柔性染料敏化太阳能电池 二氧化钛 纳米阵列 光阳极 对电极
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 引言8-9
• 1.2 染料敏化太阳能电池简介9
• 1.3 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理9-10
• 1.4 光阳极研究现状10-12
• 1.5 柔性染料敏化太阳能电池简介12-14
• 1.5.1 高分子薄膜基柔性DSSCs12-13
• 1.5.2 金属片（箔）基柔性DSSCs13
• 1.5.3 纤维状柔性DSSCs13
• 1.5.4 金属网基柔性DSSCs13-14
• 1.6 本文的选题依据与研究内容14-16
• 1.6.1 选题依据14-15
• 1.6.2 研究内容15-16
• 第二章 染料敏化太阳能电池的制备与表征16-23
• 2.1 实验材料和设备16
• 2.2 几种光阳极的制备16-17
• 2.2.1 P25纳米颗粒光阳极的制备16
• 2.2.2 TiO_2金红石纳米线阵列的制备16
• 2.2.3 钛基TiO_2锐钛矿纳米管阵列的制备16-17
• 2.3 吸附染料、制备电解质与对电极17
• 2.4 电池的组装17-18
• 2.5 染料敏化太阳能电池的性能表征18-22
• 2.5.1 形貌、结构和成分表征18-19
• 2.5.2 染料吸附量测试19-20
• 2.5.3 电化学阻抗、关灯开路电压衰减速率测试20-21
• 2.5.4 I-V测试21-22
• 2.6 本章小结22-23
• 第三章 水热刻蚀法制备二氧化钛纳米管阵列23-30
• 3.1 引言23
• 3.2 实验方法23-24
• 3.3 实验结果与分析24-29
• 3.3.1 电镜分析24-26
• 3.3.2 XRD分析26-27
• 3.3.3 染料吸附量测试27
• 3.3.4 阻抗分析27-28
• 3.3.5 光电转换效率分析28-29
• 3.4 本章小结29-30
• 第四章 二氧化钛分枝纳米管阵列以及纳米颗粒构成双层结构光阳极30-36
• 4.1 引言30-31
• 4.2 制备双层结构光阳极31
• 4.3 光阳极的形貌、结构表征31-33
• 4.4 双层结构光阳极的光电化学性能研究33-35
• 4.5 本章小结35-36
• 第五章 一维二氧化钛纳米阵列在柔性染料敏化太阳能的应用研究36-47
• 5.1 引言36-37
• 5.2 一维TiO_2纳米阵列的制备37-38
• 5.3 一维TiO_2纳米阵列的形貌、结构表征38-40
• 5.4 柔性DSSCs的组装40-41
• 5.5 柔性DSSCs的性能研究41-46
• 5.5.1 光电化学性能研究41-42
• 5.5.2 器件耐弯曲性能测试42-44
• 5.5.3 墨水对电极性能对比44-45
• 5.5.4 器件应用研究45-46
• 5.6 本章小结46-47
• 第六章 总结与展望47-49
• 6.1 总结47-48
• 6.2 展望48-49
• 参考文献49-58
• 攻读硕士学位期间论文发表及获奖情况58-59
• 致谢59

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