TiCL3处理对TiO2基染料敏化太阳能电池光电性能的影响

摘要

能源与环境问题是当今世界人类社会发展的两大重要战略。解决能源危机同时必须保护好环境，保持人类社会的可持续发展，所以迫切需要找到一种清洁且可持续利用的新能源。太阳能因其源源不断地照射至地面，且清洁无任何污染，成了最具开发潜力的的新能源之一。而传统的硅太阳能电池因其制造工艺复杂，价格昂贵等影响了其广泛应用。染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的太阳能电池，具有成本低廉，制造工艺简单，且寿命长等优点。自从1991年Gratzel教授科研小组取得了突破性进展以来，越来越多的研究者被吸引到这一研究领域。阳极材料的开发成为其中最重要的研究领域之一。目前，二氧化钛被公认为光电转换效率较高的阳极材料，如何进一步优化二氧化钛阳极对提升电池的效率具有很大影响。二氧化钛阳极优化包括新型纳米结构的设计，散射层的添加，复合结构，表面处理，元素掺杂等多个方面。本论文着重于二氧化钛阳极，探讨了表面处理和纳米结构设计对电池光电性能的影响，开展的具体工作如下：
　　 采用TiCl3稀溶液对TiO2阳极进行表面处理。将其与未处理的TiO2阳极比较，发现处理后的微观结构变化极其细微，但是比表面积有所下降。而且TiCl3处理后的TiO2薄膜吸附了较少的染料分子，却获得了较高的短路电流密度及光电转换效率。通过开路电压衰减测试分析了其中的机理，发现经TiCl3处理后的TiO2薄膜中，电子寿命延长，即电子与电解质的复合反应减少了，所以增加了短路电流密度，从而提升了转换效率。相比于传统的TiCl4处理方法，此方法操作简单，无须冰浴，且效果显著。
　　 采用钛酸丁酯和TiCl3溶液(15wt％)作为两种钛源，混合后一步水热合成了具有纳米粒子-纳米棒复合结构且混相的纳米TiO2材料。结合SEM分析，对纳米粒子-纳米棒复合结构的形成机理进行了解释。将该复合结构TiO2与商业化二氧化钛-P25作为DSSC的阳极材料进行了光电性能方面的对比。采用阻抗谱分析得出复合结构TiO2中电子传输速度要比在P25薄膜中快，且光生电子寿命也较长，这使得光电流密度增加，从而获得较高的光电转换效率。此外，该合成方法耗能较少，且纳米棒与纳米粒子混合均匀、充分。