氢化二氧化钛光电极的制备及其DSSC与PSC光电性能研究

摘要

染料敏化太阳能电池(DSSC)和钙钛矿太阳能电池(PSC)由于独特的优势已经成为最有前途的太阳能电池。在这两种电池系统中，TiO2起到重要的载体支撑及电子传输作用。TiO2基太阳能电池主要存在三个问题：电池的光捕获能力差，导致电池的吸收光谱与太阳光谱不匹配；带隙较宽造成光生电子注入效率低；电荷收集效率低因而限制了电池效率提升。针对以上问题，本论文引入氢化处理的方法，从自身结构改性TiO2光阳极材料出发，制备了控压/控温的氢化处理二氧化钛(H-TiO2)纳米材料、氢化氟/氮氟改性 TiO2复合材料、氢化纳米球/纳米线等材料，并将其制备成光阳极，用于染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。
　　首先，从制备方法研究氢化二氧化钛，将其用于 DSSC并研究其光电化学性质，并探索其效率提升的机理。研究不同压力对制备H-TiO2性能的影响，控压条件下制备H-TiO2纳米粉体，制备出的粉体具有不同团聚度以及结晶程度。通过紫外可见吸收光谱、莫特-肖特基、电子顺磁共振、电化学阻抗等方法研究光电性能。实验结果证明常压制备出的H-TiO2纳米粉体具有更强的可见光吸收能力，并且施主密度明显提高，纳米材料的平带电压正移，从整体上改善电池性能，电池的效率提高了17%。
　　其次，通过控温氢化制备一系列氢化二氧化钛，受不同温度影响，氢化二氧化钛的光电性能出现阶梯性变化。实验结果表明：300℃下氢化处理制备的H-TiO2所组装的DSSC具有最高的短路电流密度18.92 mA cm?2以及最高的光电转化效率7.76%。氢化处理调节了二氧化钛的电子结构，使其平带电位正移，氧空位的引入在导带下方插入杂质能级，提高了电子注入的驱动力，电池的短路电流密度明显提高；同时加速了电池内部电子的传输，将载流子密度提高至3.53×1021 cm-3，从整体上改善染料敏化太阳能电池的光电性能，光电转化效率提高了28%。
　　再次，引入非金属元素改性，利用其与氢化处理的协同增效作用，从整个光谱范围提高对光的利用，同时研究单级和多级结构电池中H-TiO2的作用。制备了氢化氟掺杂TiO2纳米粉体，氢化处理可以增强氟掺杂二氧化钛对可见光的捕获，提高施主密度，电子注入驱动力增大，光生电子传输情况得到改善，因而电池的性能得到提高。结果表明：氢化处理氟掺杂二氧化钛制备的电池和空白电池相比，光电流提高48%，电池效率提高了36%。制备氢化 NF-TiO2光阳极材料，拓宽非金属改性TiO2在可见近红外光的吸收范围；荷花状形貌的粉体作为光散射层，提高电池对太阳光的捕获率；非金属元素之间的协同增效作用改善电池内部电子的传输情况，最终提高了电池的性能。实验结果表明：对比氢化处理NF-TiO2制备的染料敏化太阳能电池和未经过氢化处理的粉体制备染料敏化太阳能电池，光电流提高了40%，电池效率提升了38%。
　　最后，为了优化钙钛矿太阳能电池的介孔层，通过形貌调控制备H-Ti O2纳米材料，提高 TiO2纳米材料对可见近红外光的利用：制备了氢化二氧化钛纳米球(H-TiO2)和纳米棒(H-TNR)，并将其应用于 PSC的介孔层设计。采用紫外-可见光谱和莫特-肖特基分析方法研究TiO2的光吸收能力、禁带宽度变化以及氢化处理后施主密度的变化对半导体性质的影响。特别是利用表面光电压谱(SPS)和瞬态光伏(TPV)的方法，对氢化处理后的电子传输行为和寿命进行了深入探讨。实验结果表明：H-TiO2中适度存在的氧空位能淬灭钙钛矿层电子，电子和空穴的分离更彻底，实现有效的电子提取与转移；同时抑制电子的反向复合，提高电池的光电转换效率。电池的光电转化效率可达到13.22%，与空白电池相比，H-TiO2纳米球材料组成的PSC将电池的光电转换效率提高了22%。

目录

第1章 绪 论

1.1 太阳能电池的发展概况

1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理及研究进展

1.3钙钛矿太阳能电池的工作原理及研究进展

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验部分

2.3 主要表征及测试方法

第3章 氢化二氧化钛纳米颗粒的制备及DSSC光电性能研究

3.1 控压H-TiO2粉体制备条件优化与DSSC光电性能研究

3.2 控温H-TiO2粉体制备条件的优化及其在DSSC作用机制

3.3 本章小结

第4章 氢化氟改性二氧化钛纳米颗粒的制备及DSSC光电性能研究

4.1 氢化氟掺杂二氧化钛的单级光阳极制备及光电性能研究

4.2 氢化氮氟改性二氧化钛多级光阳极制备及光电性能研究

4.3 本章小结

第5章 氢化二氧化钛纳米形貌的调控及PSC光电性能研究

5.1 氢化TiO2的晶相形貌及组分确定

5.2 氢化TiO2制备的PSC薄膜研究

5.3 氢化TiO2粉体的紫外可见光谱分析

5.4 氢化TiO2光阳极电池性能的研究

5.5 氢化TiO2的光电压测试研究

5.6 氢化TiO2制备PSC作用机制

5.7 本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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