TiO2分级结构的可控合成及其在量子点敏化太阳能电池中的应用研究

摘要

量子点敏化太阳能电池(QDSSC)是一种新型的高效、低成本光电器件，近年来引起了研究人员的广泛关注。半导体光阳极膜是QDSSC的核心部件，它在QDSSC中起着吸附量子点、传递光生电子的作用，光阳极的结构和制作工艺决定了QDSSC最终的光电转化效率。理想的光阳极需具备以下条件:(1)高比表面积以满足量子点高比例的沉积;(2)高光散射能力，进一步拓宽阳极的光捕获能力;(3)高光电子输运能力，提高光生电子的收集效率。本文主要通过设计合成不同的二氧化钛微纳米材料，优化光阳极膜的结构并提升QDSSC的光电转化效率，主要研究内容如下:
　　(1)通过一步水热法制备了高比例暴露{001}晶面超薄纳米片组装形成的TiO2分级结构。通过调控反应时间，发现TiO2分级结构的形成经由成核、生长以及组装阶段。结合其独特的分级结构，将其混入纳米晶中，并作为QDSSC光阳极组装电池，其光电转换效率可以达到3.47％，与由TiO2纳米晶组装的电池转换效率相比提高了～25％。同时利用开路电压衰减测试证实这样的效率提升主要是掺入的分级结构提高了光电子复合寿命，减小电子复合机率从而提高了其收集效率。
　　(2)以钛酸四丁酯(TBT)为钛源，水热法合成由锐钛矿六棱柱组装形成的TiO2分级结构。通过调节TBT的添加量，分别形成具有实心、空心、以及纳米颗粒负载六棱柱组装结构。分别以这三种结构（分别混入～50％的锐钛矿纳米颗粒）作为光阳极。具有纳米颗粒负载的多级结构TiO2应用于QDSSC中可以在有效传输光电子的基础上，提高量子点的负载从而得到更高的光电流、光电压、填充因子和光电子复合寿命，其转化效率达到了3.86％，比基于纳米晶的电池转化效率提高了～39％。
　　(3)用冰醋酸作为溶剂通过溶剂热合成TiO2介孔微球，选区衍射证实，这样的微球结构由纳米级初级单元有序组装形成，具有类单晶结构。通过控制TBT添加量，调控其平均粒径为～100，～200，～300和～1000纳米，并用所合成的微球作为光阳极材料制成QDSSC。基于亚微米尺寸的TiO2微球的光阳极具有较好的散射能力、较小电子复合率和较高的结晶度，故此可达到更高的转化效率，其中～300纳米的介孔微球展示出3.10％的转化效率，比由纳米晶组装的电池效率提高了～18％。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 太阳能电池简介

1．2 QDSSC的结构和原理

1．2．1 QDSSC的结构

1．2．2 QDSSC的工作原理

1．3 QDSSC的测试手段和性能参数

1．4 QDSSC的发展现状

1．4．1 光阳极膜发展现状

1．4．2 量子点负载工艺发展现状

1．4．3 对电极的发展现状

1．4．4 电解质的发展现状

1．5 本论文选题依据和研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验试剂

2．2 实验设备

2．3 实验过程

2．3．1 TiO2光阳极材料制备

2．3．2 组装QDSSC

2．3．3 样品的表征

第三章 暴露{001}晶面超薄纳米片TiO2分级结构的合成及其QDSSC性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．3 实验结果与分析

3．3．1 纳米片TiO2分级结构的形貌和结构分析

3．3．2 纳米片TiO2分级结构的形成机理

3．3．3 纳米片TiO2分级结构的性能研究

3．4 本章小结

第四章 六棱柱组装TiO2分级结构的生长机理及QDSSC性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．3 实验结果与分析

4．3．1 六棱柱组装TiO2分级结构的形貌和结构分析

4．3．2 六棱柱组装TiO2分级结构的生长机理研究

4．3．3 六棱柱组装TiO2分级结构的结构调控

4．3．4 QDSSC性能分析

4．3．5 单色光量子效率分析

4．3．6 吸收和漫反射光谱分析

4．3．7 开路电压衰减曲线分析

4．4 本章小结

第五章 TiO2类单晶介孔微球的合成及其QDSSC性能研究

5．1 前言

5．2 实验步骤

5．3 实验结果与分析

5．3．1 TiO2类单晶介孔微球的形貌表征

5．3．2 TiO2类单晶介孔微球的结构调控

5．3．3 QDSSC性能分析

5．3．4 漫反射光谱分析

5．3．5 单色光量子效率分析

5．3．6 开路电压衰减曲线分析

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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