染料敏化太阳能电池中纳米半导体材料及染料的设计合成研究

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1、摘要摘要论文题目：染料敏化太阳能电池中纳米半导体材料及染料的设计合成研究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，近年来对它的开发和利用越来越受到各国政府的重视。染料敏化太阳能电池(DsSC)以其较低的成本、简便的制作工艺、稳定的性能为人类廉价和方便地利用太阳能提供了有效的方法，因而成为研究的热点。从DSSC的工作原理来看，纳米半导体多孔膜、染料光敏剂、电解质、对电极以及电池的制作工艺参数等都是影响其性能的重要因素。基于国内外染料敏化太阳能电池的发展状况，本论文主要围绕染料敏化太阳能电池中纳米晶半导体多孔薄膜的制备，纳米晶多孔电

2、极中光生电子传输性能及光敏染料等方面进行了研究，主要研究内容如下：(1)以低成本的偏钛酸为原料，以含有的羧基或羟基的有机酸作表面修饰剂，在低温下实现了粒径可控的纯金红石型啊02的制备，探讨了有机酸修饰剂对啊02粒径的修饰机理。有机酸修饰剂的空间位阻效应及修饰剂的羟基和羧基的络合作用对币02颗粒的生长起到抑制作用。通过选用不同的修饰剂可制得不同粒径的纳米金红石型Ti02。(2)以钛酸正丁酯为主要原料，采用溶胶．凝胶法与水热法相结合的方法制备粒径可控的纯锐钛矿型纳米Ti02。系统研究了钛酸正丁酯水解的pH，水解酸，水热温度以及不同类型的表面活性剂对纳米Ti02晶

3、型、大小和形貌的影响。结果发现：以强酸硝酸为水解酸，生成的纳米啊02的晶型较复杂；然而使用弱酸冰醋酸时，则易生成纯锐钛矿型的纳米n02晶，且纳米晶的粒径较大，分布均匀，粒子之间界限分明。在适当的pH条件下，发现水热温度与Ti02晶粒大小和分布线性相关，水热温度越高，生成的纳米n02的晶粒越大。通过控制pH值，改变水热处理温度，即可实现纳米Ti02颗粒晶型和大小可控制备。研究了不同类型的表面活性剂对制得的币02粒子的影响，发现添加阴离子性表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(DBS)和阳离子性表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)时，对制得的1ri02粒子的粒径影响

4、不大，主要影响币02晶体的生长程度：而添加非离子性表面活性剂PEG800和PEG2000时，则对粒径影响较大，长链的PEG2000获得粒径较小的纳米n02。(3)在上述基础上，采用丝网印刷(∞re∞-printing)方法制备了纳米晶币02多孔膜电极，以联吡啶钌络合物(N3)作敏化剂，成功地组装了染料敏化Ti02纳米晶光电化学池原型器件，并对其光电性能进行了测试。从晶型来看，大量存在的大尺寸的金红石型Ti02，不仅使电极染料吸附量减少，而且还降低了光生电子的传输速率，导致了DsSC性能的下降。从不同水解酸来看，在相同水热温度下，醋酸体系制得的样品组装成的电池

5、的性能要高于硝酸体系制得的电池。从粒径的大小来看，提高水热处理温度，不仅促使颗粒长大，而且能有效提高纳米Ti02晶粒的表面能，晶体发育更完全，因而能有效提高染料的吸附量，减少电子复合，促使了电池短路电流密度和光电转化效率的提高。通过优化Ti02粉体制备，获得了3．507％的光电转换效率(厚度为4¨m)。同时发现添加阳离子性表面活性剂DBS和阴离子性表面活性剂CTAB时，所制得的DssC光电性能较空白Ti02电池分别提高了11．41％和7．84％；而添加非离子性表面活性剂PEG800和IL东南大学博士学位论文PEG2000时，PEG的主链越长，生成的Ti02的

6、粒子越小，染料吸附量越少，电池性能也越低。研究了不同的电沉积时间制备的Ti02致密层薄膜厚度对电池性能的影响。结果发现：致密层的存在可以有效地阻止导电玻璃基底上的光生电子和电解液中13。的复合，电池的短路电流和光电转换效率较空白电池提高了3．71％和9．75％。当电沉积时间为15．20miIl，获得的致密层厚度在350-420姗时，DSSC的光电性能最好。(4)采用溶胶．凝胶与水热相结合的方法成功地制得了Ti蚴。复合粉体，构筑了一系列不同比例的Ti02，ZnO复合纳米晶电极。详细研究了电极的浸泡时间，Ti02／zno复合比例对复合电池性能的影响。当znO和耶

7、02的摩尔之比为0．0l：1时，电极的浸泡时间为4h，复合光电池表现出最佳的光电性能，其开路电压为O．792v，短路电流密度为8．809mA．伽．2，填充因子为O．622，获得的光电转换效率分别为4．35％(厚度为4“m)。详细地讨论了光生电子在Ti02／zno复合电极中传输过程，适当的znO掺杂大大加快了电子在薄膜中的传输，减少了电子复合，因而提高电池的性能。(5)通过低温水热法成功地在n02多孔膜上自组装上一种新颖的znO微／纳米结构，上层为花状znO微，纳米结构和下层为zno纳米棒阵列。FE．sEM结果表明：单个znO微／纳米花是由多个平顶的六角形的光

8、滑的纳米棒构成，其中纳米棒的直径和长度分别在100．