酞菁染料敏化纳米二氧化钛电极的制备及性能研究

《酞菁染料敏化纳米二氧化钛电极的制备及性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要摘要18世纪以来，石油、天然气和煤炭等化石能源在经历了人类近百年的消费后，已经消耗了相当比例。从环境角度来看，化石能源的大量开发和利用，是造成环境污染与生态破坏的主要原因之一。作为解决能源危机和环境污染的焦点，太阳能是一种无污染并且取之不尽的能源，近年来越来越受到各国政府的重视。我国973项目“低价、长寿新型光伏电池的基础研究”中，把染料敏化纳米晶薄膜太阳电池列入重点研究，国内很多科研院所正积极地开展针对染料敏化太阳能电池的各个方面的研究工作。本文围绕太阳能电池中关键的染料敏化半导体电极进行研究，尝试简化制作工艺、对电极进行改性与形貌设计、对电极的电子传输过程进行分析；并对影响光

2、生电压、电流和填充因子的因素等方面进行研究。在制各半导体Ti02方面，研究了改进醇盐水解法制备晡02浆料的优化条件；以及电沉积法制备致密层Ti02膜的优化条件。结果表明，采用改进醇盐水解法制备Ti02溶胶时，将熟化后的约150mL溶液真空旋转蒸发浓缩至15mL的凝胶状态，所得的浆料具有导电性能好、结合牢固、均一、平整、厚度适宜等优秀的印刷效果。采用冰醋酸作为团聚抑制剂制备的Ti02浆料丝网印刷的电极表面颗粒均匀，大约在15～20rim，粒子之间界限分明，较硝酸抑制剂的效果更好。电沉积制备致密Ti02工艺中，在溶液pH皆为2．2左右时，TiCl3溶液浓度对沉积的纳米Ti02晶膜厚度影响

3、最大。TiCl3稀释倍数处于lO左右时，电极浸入溶液的面积大小会对沉积结果会产生较大影响。按照电沉积第一层纳米Ti02晶膜的要求，稀释倍数应在20左右较好。在酞菁染料敏化电极方面，重点研究了四羧基酞菁锌和四羧基酞菁钌两种酞菁染料的电化学性能及其敏化Ti02电极的光电性能。同时对酞菁与Ti02半导体膜的相互作用进行了探讨。循环伏安研究结果表明四羧基酞菁锌在纳米Ti02电极上，在-2．0V~o．0V间有三对峰，在正电位有两对峰，分别对应与H2Pc类似的配体的氧化还原过程和酞菁分子与酞菁离子的得失电子过程。此外，0．68／0．93V的氧化还原峰对应的是酞菁二聚体分子与离子的得失电子过程。紫

4、外．可见吸收光谱和热重分析结果表明，酞菁分子与Ti02粒子表面发生了某种形式的化学键合。光电性能测试结果表明电沉积酞菁敏化的Ti02基底排列均匀紧凑，吸附其上的染料激发出光生电子传输路径短，发生复合的几率相对多孔Ti02基底更低，从而表现出了较高的电极填充因子；电沉积敏化过程中，酞菁配体而不是中心金属离子的氧化还原过程起着将染料．Ti02电极键合并建立电流通道的作用。研究了羧基酞菁染料敏化修饰的纳米晶Ti02薄膜电极的电子传输性能和键合方式。尝试建立电子在Ti02层中传输的理论分析模型，并将其同电化学交流阻抗测试方法联系起来，从而建立一种较简便且有效的分析方法。实验结果表明交流阻抗谱

5、容抗弧分别对应如下电极过程：105Va～10'Hz区域容抗对应ITO薄层界面容抗；104H扣10dI-Iz区域对应n02层容抗；10dHz～10aHz区域对应电极．电解液界面容抗。Ti02层掺杂ZnPcTc后，膜电阻明显降低。掺杂的ZnPcTc与半导体Ti02粒子有强烈相互作用，改善了Ti02粒子间的导电性能。适量掺杂ZnPcTe可以降低多孔Ti02电极电阻，适量的掺杂比例约为l：5(VTi02：VznPcTc)。研究了采用共吸附剂协助染料敏化Ti02薄膜电极的性能，对其改善敏化电极光电性能的机理进行了讨论；对采用两种染料协同敏化Ti02薄膜电极的工艺进行了研究，分别讨论了自组装共敏

6、化、掺杂共敏化的性能及成因。实验结果表明采用B．GuanidinopropionicAcid共吸附可以改善电子传输、减少光生载流子复合。通过循环伏安、交流阻抗实验，验证了共吸附剂可以有效抑制复合反应，从而改善电子传输效率。同时，通过测试暗电流及循环伏安，东南大学硕士学位论文证实了共吸附剂改变Ti02半导体的导带的效果并不十分明显，而是其抑制复合反应的效果占主导地位。共敏化实验说明，将酞菁分子掺杂进入Ti02层，再吸附N3染料，敏化电极光电性能高。这种两种染料共同敏化但将两种敏化剂分隔开的工艺较两种染料混和溶液共敏化的效果更好。热处理实验证明，完整的酞菁分子因为过于强烈的与电子复合而无

7、法实现共敏化，但热处理后的酞菁分子碎片却能较大幅度地提高N3敏化的Ti02电极的光电性能。关键词：四羧基酞菁锌；四羧基酞菁钌；N3染料；电子传输；交流阻抗；光电性能；染料敏化太阳能电池¨AbstractSince18mcentury,humanbeingshavebeenusingunrenewahleenergy,such雏oil，naturegas，coalandsoon．Fromthenon,theunrenewableenergyhasbeenco