二氧化钛基多孔微球的制备及其光电性能的研究

发布时间：2020-05-31 14:59

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为第三代太阳能电池的代表之一,其具有低成本、工艺简单、较高的光电转换效率等多方面的优势,拥有大规模生产和工业化应用的美好前景。作为DSSCs光阳极材料的候选,二氧化钛以其无污染、成本低、带隙宽、电化学稳定性好、光电效应好等优点而被广泛应用于研究当中。不过,要让DSSCs到达人们所期许的更高的光电转换效率,光阳极的进一步优化仍是学者们面临的一个挑战。近年来,研究者们成功合成了各式各样不同维度的二氧化钛纳米材料,并设计了复合结构的光阳极来应用于DSSC。其中大尺寸的二氧化钛介孔球体由于拥有高比表面积和优异的光散射性能而备受青睐,将其作为散射层与传统的二氧化钛纳米颗粒相组合,所制成的复合光阳极通常兼有电子传输和染料负载等多方面的优势。因此,本论文主要介绍了不同的二氧化钛基多孔球的制备方法,并对其在DSSCs中的应用与性能优化等方面进行了研究,具体内容及成果如下:1.二氧化钛空心球的无模板法制备及光电性能研究:通过一种简洁高效的溶剂热法合成了锐钛矿相二氧化钛空心球,避免了使用模板法所造成的缺点。球体中空结构的形成过程是典型的奥斯特瓦尔德熟化,粒径约为12 nm的颗粒通过自组装构成了直径1-1.5μm、壳厚约150 nm的二氧化钛空心球。这种介孔二氧化钛空心球具有优异的光捕获特性,而且比表面积高达166.2 m~2g~(-1),能够作为一种理想的光散射层。将其与P25(商用二氧化钛纳米颗粒)组合而成的双层结构光阳极的DSSCs的光电转换效率达到了7.90%,相较于P25光阳极DSSCs的光电转换效率提升了31.7%。2.二氧化钛核壳微米球的制备及光电性能研究:采用简便的水热法合成了具有优良光散射性能和高比表面积的介孔二氧化钛核壳微米球。探究了样品最合适的反应时间和形成机理,结果表明当反应时间为6小时的情况下,二氧化钛核壳微米球的光电性能最佳,其结构形成经历了非对称奥斯特瓦尔德熟化。再以锐钛矿相二氧化钛纳米晶为透明层,二氧化钛核壳微米球为光散射层组装了DSSCs。由于光散射效应的增强和染料吸附量的增加,复合光阳极的DSSCs的光电转换效率达到了9.24%。为了进一步提升电池的光伏性能,将具有更快速电子传输性能和更大比表面积的二氧化钛纳米管加入到透明层中,DSSCs的光电转换效率提高到了9.60%。3.二氧化钛/二氧化锡复合空心球的制备及光电性能研究:采用模板辅助法制备了TiO_2/SnO_2复合空心球,样品直径为1.5-4μm,比表面积达到了92.9 m~2g~(-1),并表现出优异的光散射性能。以这种复合空心球作为染料敏化太阳能电池的光阳极,电池的光电转换效率达到了7.72%,高于SnO_2微米球光阳极的光电转换效率(2.70%)和TiO_2微米球光阳极的光电转换效率(6.26%)。此外,以锐钛矿相TiO_2纳米晶作为底层,SnO_2/TiO_2复合空心球作为光散射层制备的双层结构光阳极,电池的光电转换效率进一步提升至了8.43%。
【图文】：

太阳能电池,染料敏化,结构示意图,能量转化

染料敏化太阳能电池的结构示意图

染料敏化,太阳能电池,工作原理图,染料分子

图 1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理图。如图 1.2 所示，，可以表述为染料分子在太阳光的照射下吸收特定分子从基态跃迁到激发态，而部分光生电子从染料分子中快速的
【学位授予单位】：海南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.4;TM914.4

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