非晶态纳米TiO2介孔薄膜的制备与光电转换性能研究

摘要

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cell，DSC）具有较常规太阳能电池成本更低且绿色环保的优点，是一种很有发展前途的太阳能光电转换新技术。DSC光电转换效率虽然还不够高，但由于其成本低廉，仅为单晶硅太阳能电池的1/10，可以通过大面积使用来弥补其效率低的不足。因此，非常适合于与建筑相结合使用，如建筑外墙、屋顶、门窗、玻璃幕墙等，有望成为最有发展前途的大面积供电系统。
　　TiO2介孔薄膜是目前DSC使用最为普遍的光电极材料，在DSC中作为染料的承载体，并起到光生电子接收体和传输体的作用，是决定DSC光电转换性能的关键组分部分。TiO2介孔薄膜要成为产业化发展和大面积使用的DSC光电极材料，还存在以下问题：1）TiO2薄膜的制备方法还有待改善，需要一种工艺更简单、更易于控制的制备方法；2）TiO2薄膜光电极性能波动性有待改善；3）TiO2薄膜光电极的光电转换效率仍然有待提高。本论文尝试采用非晶态 TiO2介孔薄膜作为DSC光电极材料来解决以上问题。
　　采用四氢呋喃改性CTAB/水/正丁醇/环己烷反胶团微乳液法在常压、50～60℃下合成出尺寸20nm左右、高度分散的球形纳米颗粒，将其胶体前驱液直接涂膜，通过干燥、烧结，成功制备出均匀的非晶态TiO2介孔薄膜。该制备方法由于无需控制 TiO2的晶体生长过程，因而大大降低了TiO2纳米颗粒的合成条件；由于从TiO2的胶体前驱液直接涂膜，在干燥和烧结过程中不会发生开裂、剥落现象，而得到由球形纳米颗粒相互连接形成的均匀TiO2介孔薄膜，因此大大简化了薄膜的制备工艺。
　　在相同条件下比较测试了非晶态TiO2介孔薄膜和纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜的染料吸附量以及所组装DSC的光电转换性能指标，如短路光电流（Isc）、开路光电压（Voc）、填充因子（ff）和总光电转换效率（η）。试验结果表明，当薄膜厚度在3～16μm范围内变化时，非晶态 TiO2介孔薄膜的染料吸附量比纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜少1.18～5.76×10-8mol/cm2，该差距随薄膜厚度的增加愈加明显。但是，在染料吸附量小得多的情况下，非晶态TiO2介孔薄膜光电极却能够产生与纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜光电极相当的Isc，并得到更高的Voc和ff，从而使得其获得较高的η。在相同条件下，非晶态TiO2介孔薄膜光电极的最大η为5.37％，纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜光电极获得的最大η为4.69％。
　　对比研究了非晶态TiO2介孔薄膜和纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜的电学性质和光学性质。发现非晶态TiO2介孔薄膜对可见光具有强散射效应，而纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜对可见光的散射较弱，这使得吸附了染料的非晶态TiO2薄膜光电极的光利用率高于吸附了染料的纳米晶锐钛矿TiO2薄膜光电极。此外，采用FTO导电玻璃作为与TiO2面接触的两极，测试了TiO2薄膜在光照下的电阻值R。发现在吸附染料的情况下，非晶态TiO2介孔薄膜的R值比纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜的小一个数量级；在未吸附染料的情况下也得到同样的结果。说明电子在非晶态TiO2介孔薄膜中输运的效率要高于在纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜中的输运。
　　基于非晶态TiO2介孔薄膜特殊的光学和电学性质，以及纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜对染料的强吸附性，将两种薄膜复合成双层结构的非晶态/纳米晶TiO2介孔薄膜，发挥两种薄膜材料各自的优势，使其DSC的总光电转换效率η达到了6.89％，比单独由非晶态TiO2介孔薄膜和纳米晶锐钛矿TiO2介孔薄膜组装的DSC的总光电转换效率提高了28％左右。

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目录

1 绪 论

1.1 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理

1.3 DSC主要材料性质及作用

1.4 TiO2薄膜电极的发展现状和存在问题

1.5 本课题的提出

1.6 本论文的研究内容

2 材料、设备及实验方法

2.1 原材料及设备

2.2 实验方法

3 非晶态TIO2介孔薄膜光电极制备及性质影响因素

3.1 用于制备非晶态TiO2介孔薄膜的反胶团微乳液法

3.2 反胶团微乳液体系参数对非晶态 TiO2介孔薄膜微观结构形态的影响

3.3 四氢呋喃对反胶团微乳液法制备非晶体 TiO2介孔薄膜的改性作用

3.4 非晶态 TiO2介孔薄膜制备体系参数与其光电极性质和光电转换性能的关系

3.5 本章小结

4 非晶态TIO2介孔薄膜光电极与纳米晶锐钛矿TIO2介孔薄膜

4.1 非晶态TiO2薄膜与纳米晶TiO2薄膜微结构性质与表面形态的比较

4.2 非晶态TiO2薄膜光电极与纳米晶TiO2薄膜光电极性质的比较

4.3 非晶态TiO2薄膜光电极与纳米晶TiO2薄膜光电极光电转换性能的比较

4.4 本章小结

5 非晶态/纳米晶TIO2复合薄膜光电极性能研究

5.1 复合薄膜光电极在DSC中的应用

5.2 非晶态/纳米晶TiO2复合薄膜光电极

5.3 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献