二氧化钛光阳极的电泳沉积法制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究

发布时间：2020-06-13 16:13

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种清洁、理论光电转换效率较高、制备简易的太阳能电池,具有潜在的应用前景,近年来受到大量研究者们的关注。光阳极作为DSSC的重要组成部分,起到染料支撑和电子传输的作用,很大程度上影响了电池的光电转换效率。传统光阳极通常是由纳米TiO_2组成,粒径小,表面复合严重,电子传输效率较差。为提高器件性能、促进染料敏化太阳能电池的商业化,需要进一步对光阳极进行形貌、界面进行调控。本文基于电泳沉积法制备TiO_2光阳极,对光阳极进行形貌调控、界面修饰、结构优化以提升DSSC器件的性能,并研究了其性能提高的机理。具体研究工作如下:(1)通过对FTO基底和TiO_2多孔薄膜的表面处理,降低光生载流子的复合,提升光阳极的电荷收集效率和电荷传输性能。以钛酸四丁酯为前驱体溶液,用旋涂-煅烧的方法在FTO基底上制备一层TiO_2致密层,再使用电泳沉积法在修饰的FTO基底上沉积TiO_2介孔层薄膜,最后在TiO_2薄膜表面滴加二羟基双(乳酸铵)钛溶液并煅烧,从而完成TiO_2光阳极的制备。结果表明:TiO_2致密层能够减少TiO_2光阳极表面的裂纹,并隔绝FTO和电解液的接触,减少逆反应;TiO_2薄膜的表面处理可以进一步减少薄膜表面的裂缝,增强TiO_2颗粒的联接,降低薄膜内部的电荷复合,提升光阳极的电荷传输效率。电池最终的光电转换效率从6.46%提高到8.47%。(2)施加电压大小对电泳沉积TiO_2光阳极和器件性能影响的研究。电压越大,TiO_2纳米粒子的沉积速率越快,薄膜的厚度越厚,从而吸附更多的染料。但是高电压条件下制备的薄膜会出现裂纹,薄膜表面不平整,电荷传输性能较差。为了制备高效率的光阳极,我们采用了一种低电压-高电压沉积的方法,最终制备出厚度足够、形貌良好的TiO_2薄膜,在未做表面处理的情况下,器件的光电转化效率可以达到7.77%。(3)TiO_2/石墨烯复合型光阳极的低温制备及其器件性能研究。我们采用电泳沉积法沉积TiO_2/石墨烯复合薄膜,通过低温压片处理制备出TiO_2/石墨烯复合型光阳极,并应用到DSSC器件中。结果表明低温压片处理能够改善薄膜形貌,促进TiO_2颗粒间的联接,石墨烯的引入可以进一步提高电极的电荷传输性能,从而提高DSSC器件的光电转换效率。
【图文】：

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图 1.1 DSSC 的基本结构及电荷传递过程示意图导电基底：一般是透明的半导体氧化物覆盖在玻璃上，，具备高的SSC 器件中起到传输电子的作用。市面上使用较多的主要有掺杂掺杂铟的氧化锡玻璃（ITO）两种，ITO 具有更低的电阻率，所以具有更薄的膜厚，被广泛应用到光电领域。ITO 的缺点是在高温增大，影响载流子的传输，而 FTO 的电学性质在 600℃以下依然效率不会受到影响，所以在使用需要高温煅烧的材料时，一般会阳极：通常是带隙较宽的半导体氧化物，具备电荷提取与传输的功生载流子等任务，其性质将直接影响电池的光吸收、电荷传递、触等关键过程[18-21]，在 DSSC 器件的光电转换过程中发挥着重要能和降低成本具有很高的研究价值。光阳极一般具备两个主要特染料分子中高效提取电子；2）较大的比表面积以吸附大量的染料

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学专业学位硕士研究生学位论文第二章 DSSC 器件的制备与在基片上形成更均匀的薄膜，在实验之前需要对基片进行预处理来提高 F较高的功函数可以减少空穴的注入势垒[85]，使 FTO 表面能够形成均匀的薄理设备如图 2.1 所示，基片操作步骤为：1、打开真空计，将 FTO 基片正面，旋紧真空腔的阀门，使用真空泵抽气；2、抽气大约 3 min 左右，真空计 10 Pa 后，打开真空泵的氧气阀门通入氧气，此时真空泵仍然处于开启状 min 后，关闭真空计，打开氧等离子体开关处理 45 s，此时真空泵内颜色由于氧等离子体正在与 FTO 表面发生作用；4、关闭氧等离子体开关，关真空计，待真空腔内压强小于 10 Pa 后（此前并未关闭真空泵是因为真空臭氧气体，需要抽离掉），关闭真空泵，打开氮气阀门向真空腔内通入氮压强与大气压强持平时即可打开阀门取出 FTO 基片使用。本论文实验中对电极时使都需使用氧等离子体处理 FTO 基片。注意，处理过后的 FTOn 内使用。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4

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