染料敏化太阳能电池光阳极优化设计及研究

摘要

染料敏化太阳能电池(DSSCs)以其简单的制备工艺、低廉的成本、对环境无污染以及相对高的光电转换效率在近二十多年受到了越来越多的关注。TiO2纳米薄膜光阳极作为DSSCs的重要组成部分，起着承载染料、捕获太阳光、收集和传输电子的作用，极大地影响了染料敏化太阳能电池的光电性能。为了较大程度地提高DSSCs的光电转换效率，需要对TiO2纳米薄膜光阳极进行优化设计。本论文主要通过对TiO2纳米薄膜光阳极进行形貌设计，将几种不同形貌的TiO2纳米薄膜组合起来，充分利用各自形貌的优势，制备出性能优异的光阳极，另外也通过离子掺杂的方式将Ag纳米颗粒掺杂到光阳极中，利用Ag纳米颗粒表面电子与光波相互作用，形成表面等离子体效应，从而提高DSSCs的光吸收能力。具体的研究内容和结论如下：
　　（1）通过阳极氧化法制备了TiO2纳米管阵列(TNT arrays)薄膜，水热合成法制备了空心盒子状TiO2(TiO2-HB)纳米颗粒。以纯的P25纳米颗粒、TiO2纳米管阵列和空心盒子状TiO2纳米颗粒三种不同形貌的纳米材料为基础，制备了纯的P25纳米颗粒薄膜光阳极，以P25纳米颗粒薄膜为底层、TiO2纳米管阵列薄膜为顶层的P25/TNT arrays双层复合薄膜光阳极和以P25纳米颗粒薄膜为底层、TiO2纳米管阵列薄膜为中间层、空心盒子状TiO2为顶层的P25/TNT arrays/TiO2-HB三层复合薄膜光阳极，并通过各种测试手段进行研究分析。研究结果表明，P25/TNT arrays/TiO2-HB三层复合薄膜光阳极相对于其它两种薄膜光阳极有较高的光电转换效率，达到了6.03％，其主要原因是P25纳米颗粒能吸附较多的染料分子、TiO2纳米管阵列的一维管状结构能够为电子提供传输通道，空心盒子状TiO2纳米颗粒薄膜作为散射层，能够提高电池对光的利用率，三种不同形貌共同作用，从而极大的提高了电池的光电转换效率。
　　（2）通过紫外光照射五种不同浓度（0.01mol/L、0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L、0.05mol/L）AgNO3溶液，制备出掺杂不同浓度Ag纳米颗粒的双层复合薄膜光阳极。与未掺杂Ag纳米颗粒的光阳极薄膜电池相比较，通过各种测试手段进行研究分析。研究结果表明，掺杂Ag纳米颗粒后，随着掺杂浓度的升高，DSSCs的光电转换效率有先升后降的趋势，从未掺杂的3.00%上升到了6.12%，然后又降为5.43%，在掺杂的AgNO3溶液浓度为0.04mol/L达到最大。其原因主要是掺杂的Ag纳米颗粒会聚成团簇结构，能够提高光阳极对染料的吸附量，而且由于Ag纳米颗粒的表面等离子体效应，能够拓展TiO2纳米薄膜的光谱响应范围，从而提高电池的光电转换效率。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2太阳能电池的发展

1.3染料敏化太阳能电池

1.4染料敏化太阳能电池光阳极优化设计方法

1.5 本论文的选题思想和研究内容

第二章 样品处理和研究方法

2.1实验原料

2.2 实验仪器

2.3实验材料处理

2.4 研究方法与测试手段

第三章 P25/TNT arrays/TiO2-HB三层复合薄膜光阳极的制备及其在DSSCs中的应用

3.1 引言

3.2 三种复合薄膜光阳极的制备

3.3结果与分析

3.4本章小结

第四章 Ag离子掺杂对TiO2纳米管阵列双层复合薄膜在DSSCs的性能影响研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3结果与分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录