泡沫法構(gòu)筑TiO2分級(jí)多孔量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、隨著環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能作為資源最豐富的可再生能源表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力。其中，量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSSCs)由于高理論光電轉(zhuǎn)換效率和低生產(chǎn)成本，引起了廣泛關(guān)注。然而，目前其實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于理論值，作為核心部分的光陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)對(duì)量子點(diǎn)的負(fù)載、電解液的擴(kuò)散以及電子的傳輸起著決定性作用，是影響光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。尋找合適的軟模板制備具有大比表面積與理想的孔隙結(jié)構(gòu)的TiO2分級(jí)多孔薄膜，對(duì)其進(jìn)行微介觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，

2、構(gòu)筑具有優(yōu)良的光吸收、電子傳輸以及電荷收集性能的TiO2光陽(yáng)極，是提高QDSSCs光電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑。以本征具有分級(jí)尺寸分布的泡沫作為軟模板構(gòu)筑分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)材料，操作簡(jiǎn)單，模板易除，但泡沫的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑過(guò)程的關(guān)鍵。
　　為此，本論文首先利用分子自組裝原理設(shè)計(jì)具有雙層液膜結(jié)構(gòu)的泡沫，通過(guò)增加液膜中結(jié)合水?dāng)?shù)量制備出超穩(wěn)定泡沫。以該泡沫為軟模板構(gòu)筑TiO2分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極;利用該泡沫液膜作為載體在構(gòu)筑分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的同時(shí)向孔洞中

3、引入納米ZnO，并結(jié)合水熱法構(gòu)筑一維修飾三維結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極;以TiO2分級(jí)多孔薄膜為基礎(chǔ)，引入一維TiO2納米棒陣列，構(gòu)筑一維復(fù)合三維結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極。將構(gòu)筑的光陽(yáng)極組裝成電池，分析表征光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)與電池性能，探討了其光吸收、電子傳輸與電荷復(fù)合過(guò)程以及影響光電性能的內(nèi)在原因與機(jī)制。主要研究工作及結(jié)果如下:
　　(1)利用分子自組裝原理設(shè)計(jì)了三組雙層液膜結(jié)構(gòu)泡沫。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明以聚乙烯醇為穩(wěn)泡劑的泡沫體系內(nèi)外層液膜中結(jié)合水的分布強(qiáng)度和溶

4、劑分子的排列緊密程度顯著增加，具有最好的理論穩(wěn)定性;該泡沫體系在密封環(huán)境中靜置96 h無(wú)明顯排液現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持?jǐn)?shù)月不坍塌，且受到高速剪切后迅速恢復(fù)到更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，具有超穩(wěn)定性，在TiO2漿料中能長(zhǎng)期穩(wěn)定存在且分散均勻并保持本征的分級(jí)尺寸分布，干燥后TiO2坯體仍保留了泡沫所形成的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。
　　(2)利用該超穩(wěn)定泡沫為軟模板構(gòu)筑出了TiO2分級(jí)多孔薄膜，通過(guò)非原位配體交換法利用合成的CdSe量子點(diǎn)對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行敏化并組裝成電

5、池，研究了光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)及電池性能，分析了光電效率提高的原因。結(jié)果表明，泡沫引入的微米級(jí)孔有效增加了量子點(diǎn)在光陽(yáng)極中的負(fù)載量，提高了光陽(yáng)極的光吸收，抑制了電荷復(fù)合，使得TiO2分級(jí)多孔光陽(yáng)極對(duì)應(yīng)電池獲得了2.20％光電轉(zhuǎn)換效率，較TiO2納米晶光陽(yáng)極提升了107％。
　　(3)以超穩(wěn)定泡沫液膜為載體在泡沫構(gòu)筑分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的同時(shí)向孔洞中引入納米ZnO作為籽晶，結(jié)合水熱反應(yīng)構(gòu)筑了具有一維修飾三維結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極，并將其組裝成電池，對(duì)光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)

6、及電池性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，適量生長(zhǎng)的一維結(jié)構(gòu)不僅能為孔洞中電子提供直接的傳輸路徑，加速電子傳輸，減少電荷復(fù)合，還能為光子提供散射中心，增加光子在光陽(yáng)極中光程，提高光吸收，使得電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.07％，較TiO2分級(jí)多孔光陽(yáng)極提高了39.5％。
　　(4)以TiO2分級(jí)多孔薄膜為基礎(chǔ)，在其下方引入一維TiO2納米棒陣列，構(gòu)筑了具有一維復(fù)合三維結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極，研究了光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)及電池性能。結(jié)果表明，TiO2分級(jí)多孔層與一維Ti