染料-鈣鈦礦敏化多形貌納米TiO2太陽能電池的制備和性能研究.pdf

1、納米TiO2因?yàn)榫邆湓S多獨(dú)特的性質(zhì)，例如光催化性、光電性、化學(xué)穩(wěn)定性、低毒性等，而受到了廣泛的研究。目前納米TiO2的應(yīng)用很多，其中最讓人關(guān)注的一個應(yīng)用就是制備敏化太陽能電池，因?yàn)檫@也許會成為解決能源危機(jī)的一個有效方法。納米TiO2用作染料敏化太陽能電池(DSSC)的光陽極材料的研究始于1991年，在這二十年里，DSSC得到了飛速的發(fā)展。而納米TiO2鈣鈦礦敏化太陽能電池作為一種新型太陽能電池，制造過程相對簡單以及光電轉(zhuǎn)化效率高是其具有

2、的巨大優(yōu)勢，目前研究發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到19％以上，因而對于鈣鈦礦敏化太陽能電池的研究也已經(jīng)成為當(dāng)前的前沿和熱點(diǎn)課題之一，
　　人們在研究中發(fā)現(xiàn)，TiO2的形貌和結(jié)構(gòu)等，都對其作為光陽極的效果產(chǎn)生巨大影響。TiO2納米棒陣列，由于具有一維結(jié)構(gòu)，可以有效減少半導(dǎo)體中表面阱和晶界對光生電子的捕獲，從而促進(jìn)載流子更高效的傳輸，有利于電子的定向傳輸，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
　　因此，本文主要是對染料/鈣鈦礦敏化

3、多種特殊形貌納米TiO2太陽能電池的制備和性能研究。主要工作包括:
　　(1)在相對溫和的低溫條件下，使用硫酸氧鈦(TiOSO4)作為前驅(qū)體，通過簡單的水解-縮合反應(yīng)制備出珊瑚結(jié)構(gòu)TiO2納米棒。珊瑚結(jié)構(gòu)TiO2納米棒作為染料敏化太陽能電池的光陽極，對其形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并討論了不同的合成和煅燒條件對樣品的形貌、結(jié)構(gòu)和其組裝成的染料敏化太陽能電池的光電性能的影響。觀察可知在FTO基板生長的珊瑚結(jié)構(gòu)TiO2納米棒具有雙層結(jié)構(gòu)，底層為

4、銳鈦礦相的二氧化鈦陣列薄膜，頂層為金紅石相的納米珊瑚線簇。以實(shí)驗(yàn)制備的珊瑚結(jié)構(gòu)TiO2納米棒作為光陽極組裝成染料敏化太陽能電池，得到了極好的光電性能，并且隨著樣品煅燒溫度的提升，太陽能電池的開路電壓、短路電流和光電轉(zhuǎn)化效率都越來越高，其中在600℃煅燒3小時的樣品獲得了最好的光電轉(zhuǎn)化效率，達(dá)到0.9％。
　　(2)首次提出了一種新的全固態(tài)型染料敏化太陽能電池，在我們的新型電池中采用了兩種不同的鈣鈦礦材料，鈦酸鍶和CsSnI295F

5、0.05作為電子和空穴傳輸?shù)慕橘|(zhì)。通過兩步水熱法合成了異質(zhì)結(jié)構(gòu)TiO2-SrTiO3納米棒復(fù)合材料作為電池的光陽極材料，并且采用N719染料作為全固態(tài)型染料敏化太陽能電池的光敏化劑。結(jié)果表明，N719/TiO2-SrTiO3/CsSnI2.95F0.05系統(tǒng)匹配良好的能帶結(jié)構(gòu)可以作為促進(jìn)電荷分離的能量連接，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。更重要的是，在工業(yè)生產(chǎn)中，由于使用堿性水解方法制備TiO2具有相對高的生產(chǎn)率和較低的成本，因此目前

6、來說二氧化鈦的工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)廣泛采用鈦鹽在堿性條件下水解的方法進(jìn)行制備。本實(shí)驗(yàn)之中我們討論了堿性前體反應(yīng)物濃度對TiO2-SrTiO3納米棒薄膜的光電化學(xué)性能的影響，并證明了TiO2-SrTiO3納米棒光陽極可以提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（η）使其最高達(dá)到1.09％，是在堿性環(huán)境制備的純TiO2納米棒陣列的10倍以上（η～0.12％），因此本實(shí)驗(yàn)對工業(yè)二氧化鈦太陽能電池的生產(chǎn)和發(fā)展具有重要意義。
　　(3)采用簡單的水熱方

7、法在FTO(摻雜氟的SnO2導(dǎo)電玻璃(SnO2∶F))襯底上直接合成了一維取向的單晶金紅石型二氧化鈦薄膜，然后使用二氧化鈦納米棒作為模板和反應(yīng)物，Sr(OH)2作為鍶源，通過水熱反應(yīng)成功在TiO2納米棒陣列的表面沉積了SrTiO3立方納米顆粒。并采用TiO2-SrTiO3納米棒復(fù)合材料作為電池的工作電極，鈣鈦礦型的CH3NH3PbI3和CsSnI2.95F0.05分別作為光敏劑和電解質(zhì)組裝鈣鈦礦敏化太陽能電池。同時我們討論了煅燒溫度和反