發(fā)布時間：2018-03-10 19:23

  本文選題：二氧化鈦納米管　切入點(diǎn)：染料敏化太陽能電池　出處：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：二氧化鈦納米材料是當(dāng)今使用最普遍的一種半導(dǎo)體材料,由于納米結(jié)構(gòu)具有多樣性,在很多的應(yīng)用方面都發(fā)揮著重要作用。尤其是在當(dāng)今社會,能源短缺日益加劇,環(huán)境保護(hù)又刻不容緩,有關(guān)擁有清潔、可再生優(yōu)勢的太陽能電池的研究備受關(guān)注。染料敏化太陽能電池(dye-sensitised solar cells,DSSCs)在諸多種類中相對來說,成本低廉,制備又不復(fù)雜,隨著第三代太陽能電池發(fā)展至今,已經(jīng)取得了豐富的研究成果。光陽極結(jié)構(gòu)一向是染料敏化電池中重要的組成部分,而TiO_2是這一部分選材的首選,所以其一直受到人們的關(guān)注,也在不斷地發(fā)展與創(chuàng)新。TiO_2納米材料在DSSCs中,主要作為吸附染料敏化分子的載體,進(jìn)而將光生電子傳輸給外電路。由于納米管等一維納米結(jié)構(gòu)相比于納米顆粒結(jié)構(gòu)在電子傳輸?shù)刃阅芊矫嬗兄浅Ｃ黠@的優(yōu)勢,所以作為研究最廣泛的光陽極材料,這種一維結(jié)構(gòu)因其優(yōu)秀的特性而備受關(guān)注。有關(guān)DSSCs中光陽極的科研工作,主要是探討以下幾方面:(1)、制備具有更大比表面積的光陽極結(jié)構(gòu)、(2)、提升電子在半導(dǎo)體材料中的傳輸效率以及(3)、提高染料對光的捕獲等幾個重點(diǎn)研究方向。本論文的主要工作是圍繞TiO_2納米管(NT)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制,在獲得高性能的染料敏化電池的同時,研究發(fā)現(xiàn)NT的多功能性。詳細(xì)的研究內(nèi)容主要如下:1)NT在染料吸附量上相比于納米顆粒有很大的缺陷,針對這一缺點(diǎn),我們希望制備出具有大比表面積的更小管徑的管子,利用水浴法升高陽極氧化反應(yīng)的溫度,可以獲得管長長度達(dá)16μm、管徑75 nm的高比表面積的納米管薄膜。大長徑比的二氧化鈦納米管薄膜的成功制備,為其在DSSCs的光陽極結(jié)構(gòu)中的工作狀態(tài)增加了很多優(yōu)勢,由于染料吸附量的顯明升高,無論是電池的效率,還有電池性能,都有了大幅度的改善和提高。2)小管徑納米管薄膜由于其晶粒較小,更易受到基底效應(yīng)的影響而在正常退火溫度下產(chǎn)生金紅石結(jié)晶態(tài),這對DSSCs各方面的性能表現(xiàn)都會產(chǎn)生負(fù)面作用。所以為制備出具有純銳鈦礦晶型的小管徑的管子,采用了低溫退火后自剝離的方法。利用這種方法不僅可以保持納米管薄膜的形貌不受破壞,同時還不引入基底效應(yīng)的影響進(jìn)而避免了金紅石晶型的產(chǎn)生。最后通過實(shí)驗(yàn)對比可發(fā)現(xiàn),小管徑TiO_2納米管,如果其為純銳鈦礦晶型,那么相比于含有金紅石晶型的,在電池的效率及電子傳輸性能方面都更為優(yōu)秀。3)為提高染料敏化電池的效率,合理的利用光散射層可以起到十分有利和顯著的作用。利用大電壓制備的接近可見光波長的大管徑納米管陣列作為光散射層,其散射作用相比于普通管徑的納米管陣列,有著明顯的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿�。在SEM分析了大管徑納米管薄膜的形貌后,將其作為光散射層,添加在DSSCs的光陽極上表面上,與無散射層、普通納米管做散射層等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能上的比較和分析,通過模擬和實(shí)驗(yàn)等多種角度證明了對于二氧化鈦納米管薄膜擁有這樣的大管徑確實(shí)具有非常優(yōu)秀的散射作用。4)基于前期的實(shí)驗(yàn)工作,結(jié)合大管徑的散射優(yōu)勢,合成出雙層TiO_2納米管薄膜,其上下兩層的管徑、管長均不同。利用其高溫退火后的薄膜與納米顆粒層的疊加組合,構(gòu)成多層光陽極結(jié)構(gòu),使其同時擁有染料吸附層、電子傳輸層、光散射層等諸多功能。并且通過對多層光陽極中各層厚度的優(yōu)化研究和分析比較,可以獲得具有最優(yōu)效率的染料敏化電池,相比于僅含納米顆粒層,或者納米顆粒與納米管構(gòu)成的雙層組合,最高的情況為6.52%。
[Abstract]:The use of titanium dioxide nano material is a semiconductor material most commonly, because nano structure diversity, plays an important role in many applications. Especially in today's society, the growing shortage of energy, environmental protection and the urgent, have clean, renewable solar cell research advantage of the dye concern. The dye-sensitized solar cells (dye-sensitised solar cells, DSSCs) in many kinds of relatively low cost, the preparation is not complex, along with the development of the third generation solar cells so far, has made great achievements. The photoanode structure always is an important part in DSSC, while TiO_2 is the part of the material first, it has attracted people's attention, but also in the continuous development and innovation of.TiO_2 nano materials in DSSCs, mainly as adsorption of dye sensitized points Sub carrier, then the photogenerated electrons transmitted to the external circuit. Because the nanotubes of one-dimensional nano particles compared to the structure in the electronic transmission performance has obvious advantages, so as to study the light anode material most widely, this kind of one-dimensional structure because of its excellent optical anode and concern. The research work of DSSCs, mainly discusses the following aspects: (1) preparation, has the larger surface area of the anode structure, (2), enhance the transmission efficiency of electron in a semiconductor material (3), and improve the dye to capture several key research direction of the light. The main work of this paper is around TiO_2 nanotubes (NT) material structure for modulation in dye sensitized cell to obtain high performance at the same time, the study found that the versatility of NT. The detailed contents are as follows: 1) NT in dye adsorption amount compared to nano The particles have a lot of defects, to overcome this drawback, we hope that the preparation of smaller diameter with a large surface area of the tube, elevation of oxidation reaction using water bath temperature high, can obtain the length of length 16 m, diameter 75 nm high surface area. Nanotube films prepared with large ratio of length to diameter the titania nanotube films, added a lot of advantages in light anode structure in the DSSCs state, because the dye adsorption capacity obviously increased, both the efficiency of the battery, and battery performance has been greatly improved and improved.2) small diameter nanotubes film because of its smaller grain, more susceptible to the substrate effect arising from rutile crystalline in normal annealing temperature, the various aspects of the DSSCs's performance will have a negative effect. So for the preparation of the pipe diameter of the tubular with pure anatase,. With the method of self stripping after low temperature annealing. Using this method can not only keep the morphology of nanotube films is not damaged, but also does not influence the effect of introducing substrate and avoid the rutile crystal. Experiments can be found in small diameter TiO_2 nanotubes, if it is pure anatase, then compared to the contains rutile, in terms of efficiency and the electronic transmission performance of battery is better.3) in order to improve the efficiency of DSSC, the light scattering layer reasonable can play a very favorable and significant role. The use of high voltage preparation is close to the wavelength of visible light and large diameter nanotube array as the light scattering the scattering effect of nanotube array layer, compared to the ordinary diameter, has obvious advantages and development potential. In the SEM analysis of the morphology of large diameter nanotubes, as the light scattering Add in light anode layer, the upper surface of the DSSCs, and the scattering layer, ordinary nanotubes scattering layer structure are compared and analyzed on the performance, through various simulations and experiments proved that size has very good effect of.4 scattering for titania nanotube films have a large early experimental work) based on the combination of advantages of scattering size bassoon, synthesized double TiO_2 nanotube film, the two layer of the diameter, length are different. Using the combination of thin films and nano particles after high temperature annealing layer, a multi layer optical anode structure, which also has a dye layer, electron transport layer, many functions the light scattering layer. And through the comparison and analysis of the optimization of the thickness of each layer of multilayer optical anode, can obtain the DSSC with optimal efficiency, compared to only containing nano particles or layers. The combination of nanoscale nanoparticles and nanotubes is the highest of 6.52%.

【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ134.11;TM914.4

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本文編號：1594725