染料敏化太阳能电池光阳极的制备及其光-电化学性能的研究

摘要

纳米TiO2具有特殊结构、性能和半导体光催化活性,具有广阔的应用前景和重要的理论研究价值,是染料敏化太阳能电池(DSC)的光阳极的首选材料。目前,大部分方法得到的DSC光阳极TiO2纳米薄膜是无序结构纳米粒子,但纳米TiO2颗粒较小,不能很好地提供内置电场,不利于电子空穴对的分离和电子的传输,导致染料敏化太阳电池效率的降低,这严重阻碍了TiO2光催化材料的应用。近年来,很多研究发现TiO2纳米管结构能够缩短电子传输路程并使电子的传输通道更通畅,降低电子空穴对的复合以提高DSC的光电转换效率。
　　 本工作采用电化学阳极氧化技术,在钛金属基体表面制备一层具有特殊纳米结构的TiO2纳米管阵列膜。利用SEM、XRD、Raman、差热分析谱、EIS和光照开路电位图谱等表征方法系统地研究了电解液组成和电化学阳极电压等制备参数对纳米管膜层表面形貌和组成成分的影响,探讨了热处理条件对TiO2纳米管阵列膜的影响,为实现TiO2纳米管薄膜的可控制备提供了重要依据。另外,采用Sol-Gel法制备了TiO2纳米晶薄膜,利用相图分析法得到了获得性能良好溶胶的最佳试剂配比和最优配制工艺。对比了两种方法制备的TiO2纳米薄膜组装成的DSC光电转换性能。主要研究内容及结论如下:
　　 (1)研究了阳极氧化过程中不同阳极氧化电解液和电压对TiO2纳米管阵列薄膜表面形貌的影响。结果表明:不同电解液中得到的纳米管形貌各不相同,相比水电解液,有机电解液下得到的TiO2纳米管阵列排列更为规整,管壁更为光滑。电场强度对TiO2纳米管的的形成起着双重作用,并得到了一定范围内的阳极氧化电压与TiO2纳米管管径的定量关系式。
　　 (2)研究了阳极氧化过程中不同时间段的TiO2纳米管阵列照片,分析了TiO2纳米管阵列的形成机理。结论显示:TiO2纳米管阵列形成分为三个阶段:阻挡层形成阶段,电流急剧下降；纳米管形成阶段,电流有所回升；纳米管稳定生长阶段,电流基本保持不变。
　　 (3)研究了热处理温度和气氛对TiO2纳米管薄膜晶型结构和形貌的影响。结果表明:随着温度的升高,TiO2纳米管的晶型从无定形态转变到锐钛矿型再到金红石型；纳米管结构也随温度的升高逐渐坍塌,最后转变成松散颗粒状。
　　 (4)研究了Sol-Gel法制备纳米晶TiO2薄膜的制备工艺,结果表明:Sol-Gel法制备纳米晶TiO2薄膜的最佳试剂配比为:Ti(OC4H9)4的摩尔浓度在0.2～0.8mol/L之间；鳌合剂与酞酸丁酯摩尔比在3～5之间；水与酞酸丁酯摩尔比在3～4之间。酸性前驱液条件下,pH为3～4；碱性前驱液条件下pH为9～lO,水解最佳温度为40～50℃。
　　 (5)研究了两种不同制备方法得到的TiO2纳米薄膜的光.电化学性能,结果表明:阳极氧化法制得的TiO2纳米管薄膜组装的DSC入射光损耗较大,膜层较薄,不利于DSC光电转换效率的提高。