DSSC負(fù)載型納米TiO2薄膜電極的制備及性能研究.pdf

1、能源短缺與環(huán)境污染問題的日益突出促進(jìn)了人們對可再生能源的開發(fā)和利用，太陽能作為一種清潔可再生能源逐漸成為了能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過多年的努力，目前太陽能電池已經(jīng)發(fā)展到了第三代，即染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC)。該類電池具備制備工藝簡單，成本低廉，對環(huán)境零污染等優(yōu)點(diǎn)，是硅基太陽能電池等主流電池強(qiáng)有力的競爭者，被譽(yù)為最具發(fā)展前景的太陽能電池。
　　染料敏化太陽能電池的主要組成部分是納

2、米半導(dǎo)體薄膜光陽極。常用來制備薄膜電極的半導(dǎo)體材料為二氧化鈦(TiO2)，但是單一的納米二氧化鈦薄膜電極易受吸收光譜范圍有限，電子在傳輸過程中易發(fā)生電子-空穴復(fù)合等條件的制約，致使其光電轉(zhuǎn)換效率較低。
　　本文從染料敏化電池電極薄膜的制備出發(fā)，首先用溶膠-凝膠法制備出納米TiO2溶膠，再分別以水熱合成法制備的ZnO納米棒、碳納米管(Cabon Nanotubes，CNTs)以及商用P25作為載體，制備三種負(fù)載型納米TiO2薄膜，對

3、其進(jìn)行X射線衍射(X-RayDiffraction，XRD)表征;組裝成染料敏化太陽能電池后，進(jìn)一步進(jìn)行光電性能測試與分析比較。
　　(1)以不同堿性條件下水熱合成的ZnO納米棒為載體，與溶膠-凝膠法制備的納米TiO2膠體進(jìn)行混合，經(jīng)處理后將納米TiO2負(fù)載到ZnO納米棒表面，制備負(fù)載型ZnO棒/納米TiO2薄膜電極。通過XRD對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對組裝后的DSSC進(jìn)行光電性能測試。通過表征可知:溶膠-凝膠法制備的納米TiO2具

4、有粒徑小、比表面積大的優(yōu)點(diǎn)，而強(qiáng)堿條件下生成的ZnO納米棒取向性生長更為明顯，使電子沿直線快速導(dǎo)入基底，提高了電子的傳輸速率。經(jīng)I-V測試表明，利用強(qiáng)堿條件生成的ZnO納米棒為載體制備的DSSC光電性能較優(yōu)，短路電流、開路電壓可達(dá)到1.42mA/cm2和0.56V，光電轉(zhuǎn)換效率比弱堿條件下制備的ZnO納米棒負(fù)載后制得DSSC提高了近一倍。
　　(2)用分散后質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1％、0.15％、0.2％的CNTs為載體，與溶膠-凝膠

5、法制備的納米TiO2膠體進(jìn)行混合，經(jīng)處理后將納米TiO2負(fù)載到CNTs表面，制備負(fù)載型CNTs/納米TiO2薄膜電極。通過XRD對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對組裝后的DSSC進(jìn)行光電性能測試，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNTs為載體對DSSC性能的影響。XRD表征可知:隨著CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米TiO2生長受到抑制粒徑變小，增大了薄膜的比表面積，且由于CNTs具有明顯的管道結(jié)構(gòu)，有利于抑制電子-空穴復(fù)合，減少了電子傳輸過程中的損耗。但隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)

6、的增加，薄膜表面顏色逐漸變暗，增大了CNTs與染料分子對光吸收的競爭，一定程度上降低了DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率。通過I-V測試曲線證明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％的CNTs負(fù)載納米TiO2制備的DSSC光電性能最優(yōu)，短路電流、開路電壓可達(dá)到1.69 mA/cm2和0.54V，光電轉(zhuǎn)換效率為0.52％，比后兩種DSSC分別提高了30％和85％。
　　(3)用商用P25為載體，與溶膠-凝膠法制備的納米TiO2膠體進(jìn)行混合，經(jīng)處理后將納米TiO2

7、負(fù)載到P25顆粒表面。制備P25負(fù)載型納米TiO2薄膜電極，通過XRD對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對組裝后的DSSC進(jìn)行光電性能測試。表征顯示:P25的加入有利于增強(qiáng)納米TiO2顆粒之間的結(jié)合力，增大了薄膜的比表面積;同時(shí)粒徑稍大的P25可以改善薄膜的致密程度，有利于光的透射和散射作用，提高了電池陽極對光的利用率。通過對上述三種不同載體制備的DSSC光伏特性曲線擬合后發(fā)現(xiàn)，三種載體負(fù)載納米TiO2后制備的DSSC開路電壓大體相同均在0，55V