本文關鍵詞：基于TiO_2光陽極染料敏化太陽能電池的制備與性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著世界經濟的高速發(fā)展,傳統(tǒng)能源逐漸枯竭,能源危機和環(huán)境問題已經成為當今世界各國面臨的共同問題,研發(fā)可再生清潔能源是解決能源與環(huán)境問題的有效途徑之一。太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源,利用太陽能的有效方式之一是研發(fā)太陽能光伏電池,如何構建高效的太陽能電池是太陽能開發(fā)過程中的核心問題。新興第三代電池中的染料敏化太陽能電池(DSSCs)相比于傳統(tǒng)太陽能電池,具有制備工藝簡單、轉化效率高、成本較低、無污染等優(yōu)點。但是,目前的DSSCs轉換效率仍無法達到工業(yè)化生產的要求,因此必須對其繼續(xù)進行深入系統(tǒng)的研究。TiO2光陽極作為DSSCs的核心部分,是決定電池光電轉換效率的關鍵因素。采用多樣化的制備技術以及摻雜、復合等方法以提高Ti02光陽極對太陽光的有效利用率,提高光電轉換效率是目前DSSCs重要的研究課題,具有重要的理論意義和工業(yè)應用價值。本文主要研究內容如下：(1)采用簡單可控的水熱法合成了CdS量子點(QDs)敏化銳鈦礦Ti02分級納米結構。對Ti02表面以硫代乳酸處理,為Cd2+提供生長位點,并通過調節(jié)硫代乳酸的濃度控制CdS QDs的尺寸大小。結果表明CdS QDs/TiO2分級異質結納米結構的光吸收表現(xiàn)出明顯的從紫外光區(qū)域到可見光區(qū)域的紅移�；�7.6nm的CdS QDs/TiO2分級異質結納米結構的DSSCs展現(xiàn)出6.09 mA cm-2的短路電流密度和3.06%的光電轉換效率,優(yōu)于純TiO2分級結構材料的電池性能。電池性能提高歸因于CdS QDs/TiO2分級異質結納米結構獨特的微觀形貌,CdS與TiO2兩者的能帶匹配能夠促進光生空穴-電子對的分離。(2)以十六胺為結構導向劑和水合肼為氮源,通過溶膠-凝膠法和水熱法相結合的方法制備了氮摻雜銳鈦礦TiO2/CuxO核／殼介孔異質結構。在標準模擬太陽光照射下,基于銳鈦礦TiO2/CuO核／殼介孔結構光陽極的DSSCs顯示出9.60 mA cm-2的短路電流密度和3.86%的光電轉換效率。所形成異質結構的CuxO和Ti02間的帶隙匹配可以有效誘導光生電子和空穴的分離,提高電子注入效率。相比于未摻雜TiO2/CuxO核／殼介孔結構材料,基于氮摻雜銳鈦礦TiO2/CuxO核／殼介孔結構的DSSCs顯示出較高的短路電流密度和光電轉換效率,分別達到13.24 mA cm-2口4.57%。這是由于氮摻入TiO2晶格中可使材料光吸收范圍從紫外擴展到可見光區(qū)域,并且異質結的形成有效地抑制了電子-空穴對再復合的幾率。(3)采用簡單的水熱方法,通過調整前驅物中Sr和Ti的摩爾比,制備了微觀形貌、相組成和比表面積可調、結構新穎的SrTiO3/TiO2納米片異質結構材料。所合成的這種SrTiO3/TiO2異質結構具有大的比表面積和孔結構,因此能夠有效地增加染料的負載量,進而提高光生載流子的數量。同時,在SrTiO3/TiO2異質結構之間形成了這種獨特的能帶匹配結構,能夠有效地促進光生載流子對的分離。通過光致發(fā)光光譜(PL)、電化學阻抗測試(EIS)、光電子轉換效率(IPCE)等測試結果表明,基于SrTiO3/TiO2納米片異質結的染料敏化太陽能電池(DSSCs)的電子-空穴對的復合幾率降低,電子壽命延長。相比于純Ti02納米片光陽極的DSSCs,基于納米片異質結的DSSCs的光電轉換效率和短路電流有了顯著的提高。電池獲得的最大短路電流和光電轉換效率分別達到12.55 mA cm-2和7.42%。(4)通過簡單溶膠-凝膠和水熱法設計制備了一種新穎的Au/TiO2納米空心球材料,Au納米顆粒均勻地嵌入在Ti02空心球內。利用這種材料的增強入射光吸收能力、染料吸附能力與Ti02和Au納米顆粒間的局域表面等離子體共振(LSPR)效應來提高電池的光電轉換性能。使用所制備的Au/TiO2納米空心球材料組裝成電池并測試其性能。紫外可見漫反射(DRS)和單色光入射效率(IPCE)結果表明,基于Au/TiO2復合材料的DSSCs展現(xiàn)出較高的入射光子吸收能力。短路電流-開路電壓曲線(J-V)表明基于Au/TiO2復合材料的DSSCs的光電轉換效率高于純Ti02空心球DSSCs 的光電轉換效率。特別是,當Au/TiO2質量比為5%時,電池展現(xiàn)出高達7.57%的光電轉換效率,比純Ti02空心球的提高了近39%。而且,光致發(fā)光(PL)光譜和電化學阻抗(EIS)譜證實了由Au和Ti02之間的電子與空穴的分離導致了光生電子壽命的延長。充分發(fā)揮了Au修飾在提高DSSCs'性能中起到的等離子體增強效應,為今后設計和構造性能優(yōu)異的DSSCs提供了一定的設計思路。(5)以制備的聚苯乙烯球光子晶體為模板,Ti02凝膠浸漬入模板制備3DTi02反蛋白石結構薄膜,加入P123進一步增大其比表面積。并采用氧化還原法和連續(xù)離子層吸附法相結合的方法制備了Au@TiO2反蛋白石結構薄膜和CdS@Au@TiO2反蛋白石結構薄膜,深入系統(tǒng)研究了各種薄膜材料作為光陽極在DSSCs中的應用和性能特征。研究表明,基十Ti02反蛋白石結構光陽極的DSSCs的短路電流密度和光電轉換效率分別為9.18 mA cm-2和4.89%,Au修飾和CdS@Au修飾的光陽極的DSSCs的短路電流密度分別為10.63和11.78 mAcm-2,光電轉換效率分別為5.57%和6.51%。光電性能的提高歸因于P123修飾3D Ti02反蛋白石結構的獨特的結構形貌和大比表面積,Au納米顆粒的等離子體表面增強效應,窄帶隙CdS加入使得光陽極薄膜的光吸收范圍拓寬、電子空穴-電子對的復合得到有效抑制。
【關鍵詞】：TiO_2光陽極 太陽能電池 半導體帶隙 鈦酸鍶 等離子增強效應 TiO_2反蛋白石結構
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4;TQ134.11
【目錄】：

• 摘要11-14
• ABSTRACT14-18
• 第一章 緒論18-52
• 1.1 研究背景18-22
• 1.1.1 太陽能電池發(fā)展歷史簡介18-21
• 1.1.2 太陽能電池的分類21-22
• 1.2 染料敏化太陽能電池(DSSCs)22-30
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池(DSSCs)的基本結構23-27
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池(DSSCs)的工作原理27-28
• 1.2.3 染料敏化太陽能電池(DSSCs)的光電性能參數28-30
• 1.3 染料敏化太陽能電池(DSSCs)光陽極TiO_2薄膜的研究進展30-49
• 1.3.1 TiO_2納米材料光陽極薄膜32-36
• 1.3.2 表面修飾TiO_2光陽極薄膜36-38
• 1.3.3 離子摻雜TiO_2光陽極薄膜38-40
• 1.3.4 量子點修飾TiO_2光陽極薄膜40-42
• 1.3.5 氧化物復合TiO_2光陽極薄膜42-44
• 1.3.6 貴金屬修飾TiO_2光陽極薄膜44-47
• 1.3.7 光子晶體光陽極薄膜47-49
• 1.4 本文的意義及主要研究內容49-52
• 第二章 CdS量子點敏化銳鈦礦TiO_2分級結構的光電性能研究52-72
• 2.1 引言52-53
• 2.2 實驗部分53-56
• 2.2.1 TiO_2納米分級結構的制備53
• 2.2.2 CdS QDs修飾TiO_2納米分級結構的制備53-54
• 2.2.3 太陽能電池制備54-55
• 2.2.4 結構表征55
• 2.2.5 電池性能表征55-56
• 2.3 結果分析與討論56-70
• 2.3.1 結構與物相分析56-59
• 2.3.2 氮氣吸脫附特性分析59-61
• 2.3.3 光學性能分析61-65
• 2.3.4 太陽能電池性能分析65-70
• 2.4 本章小結70-72
• 第三章 氮摻雜TiO_2/Cu_xO核殼介孔結構在高效染料敏化太陽能電池中的應用72-90
• 3.1 前言72-73
• 3.2 實驗部分73-74
• 3.2.1 氮摻雜TiO_2/Cu_xO雜化核殼結構的制備73-74
• 3.2.2 太陽能電池組裝74
• 3.2.3 結構表征74
• 3.2.4 電池性能表征74
• 3.3 結果分析與討論74-88
• 3.3.1 XRD分析74-75
• 3.3.2 XPS表征75-77
• 3.3.3 SEM分析77-78
• 3.3.4 TEM分析78-80
• 3.3.5 氮氣吸脫附特性分析80-81
• 3.3.6 紫外-可見吸收(UV-vis)性能分析81-83
• 3.3.7 紫外可見漫反射(DRS)性能分析83-84
• 3.3.8 電化學交流阻抗(EIS)性能分析84-85
• 3.3.9 太陽能電池性能(J-V曲線)分析85-87
• 3.3.10 太陽能電池性能(IPCE曲線)分析87-88
• 3.4 本章小結88-90
• 第四章 可調控SrTiO_3/TiO_2異質結納米材料的染料敏化太陽能電池性能研究90-110
• 4.1 前言90-92
• 4.2 實驗部分92-93
• 4.2.1 SrTiO_3/TiO_2異質結納米結構的制備92
• 4.2.2 染料敏化太陽能電池的制作92
• 4.2.3 結構與性能表征92-93
• 4.3 結果與討論93-109
• 4.3.1 XRD分析93-94
• 4.3.2 SEM分析94-95
• 4.3.3 TEM分析95-98
• 4.3.4 XPS表征98-99
• 4.3.5 BET結果分析99-101
• 4.3.6 光學性能分析101-102
• 4.3.7 電池性能分析102-107
• 4.3.8 機理分析107-109
• 4.4 本章小結109-110
• 第五章 等離子體增強納米介孔TiO_2空心球在DSSCs中的應用和性能研究110-126
• 5.1 前言110-111
• 5.2 實驗部分111-112
• 5.2.1 Au/TiO_2核殼空心球型結構的制備111-112
• 5.2.2 染料敏化太陽能電池的制作112
• 5.2.3 結構與性能表征112
• 5.3 結果與討論112-124
• 5.3.1 結構性能表征112-117
• 5.3.2 光學性能分析117-119
• 5.3.3 電池性能分析119-123
• 5.3.4 機理分析123-124
• 5.4 本章小結124-126
• 第六章 基于CdS@Au@TiO_2 IOs的Z-scheme高效染料敏化太陽能電池性能研究126-144
• 6.1 前言126-127
• 6.2 實驗部分127-129
• 6.2.1 CdS@Au@TiO_2反蛋白石結構材料的制備127-129
• 6.2.2 染料敏化太陽能電池的制作129
• 6.2.3 結構與性能表征129
• 6.3 結果與討論129-142
• 6.3.1 XRD圖譜分析129-130
• 6.3.2 SEM分析130-133
• 6.3.3 TEM分析133-135
• 6.3.4 EDS分析135-136
• 6.3.5 光學性能分析136-138
• 6.3.6 電池性能分析138-140
• 6.3.7 機理分析140-142
• 6.4 本章小結142-144
• 第七章 結論與展望144-148
• 7.1 結論144-145
• 7.2 主要創(chuàng)新點145
• 7.3 展望145-148
• 參考文獻148-170
• 致謝170-172
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文172-174
• 攻讀博士學位期間參與的科研項目174
• 攻讀博士學位期間獲獎情況174-175
• 附件175-202

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前1條

1 李國輝;郝洪順;王輝利;高文元;劉貴山;;TiO_2/SrTiO_3薄膜電極制備及其光電化學性能研究[J];電子元件與材料;2015年01期

  本文關鍵詞：基于TiO_2光陽極染料敏化太陽能電池的制備與性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：347601