双层TiO2复合膜染料敏化太阳能电池的制备与性能增强

摘要

自从1991年O'Regan和Gratzel将具有高比表面积的纳米晶介孔TiO2引入到染料敏化太阳能电池(DSSCs)，并在一个太阳光照(AM1.5)条件下取得7.12％的光电转换效率以来，由于制备工艺简单、质量轻、成本低以及公众对能源供应短缺关注等原因，DSSCs引起了人们的广泛兴趣。在过去的二十年间，人们在纳米颗粒DSSCs的结构设计、材料合成、光电性能表征和机理分析等方面进行了广泛的研究。就膜电极而言，DSSCs的光电转换性能取决于膜电极的构型和TiO2纳米结构的性质。特别是，具有特殊结构的空心球(HS)能够通过增加光程长度来增强光的吸收，促进电解质的扩散，从而在DSSCs中具有潜在应用价值。此外，由于在促进电子快速传输，增强光散射和大的比表面积等方面具有独特的优势，TiO2纳米管在DSSCs中也具有重要意义。在本论文中，围绕纳米颗粒和空心球双层结构膜电极的制备，管状TiO2结构的合成及其在DSSCs中的应用等方面开展了如下工作：
　　 我们制备了由TiO2纳米颗粒和空心球构成的双层复合结构DSSCs，并研究了纳米颗粒/纳米颗粒(PP)，空心球/空心球(HH)，空心球/纳米颗粒(HP)和纳米颗粒/空心球(PH)四组双层复合结构DSSCs的光电转换性能，其光电转换效率分别为4.33，4.72，4.93和5.28％。纳米颗粒/空心球双层复合膜太阳能电池增强的光电性能可以归结为以下因素的共同作用。上层空心球膜层的光散射能力增强了DSSCs中光的捕获，同时下层TiO2纳米颗粒膜层确保膜电极与掺氟的氧化锡(FTO)玻璃基体具有良好的电接触。此外，TiO2空心球较大的比表面积有助于染料分子的扩散，较大的孔体积有助于电解质的传输。
　　 我们以钛乙二醇棒作为自模板和前躯体在碱性条件下(0.1M NaOH)通过水热方法成功制备了新型分等级钛酸盐管状结构。该管状结构由纳米管和纳米片组装而成。合成的产物显示出分等级结构特征，具备两种类型的管状结构。一种为沿着模板方向形成的大的管状结构，另一种为大的管状结构的外壁上生长的纳米管结构。大的管状结构的形成是源于化学诱导自转变机理或柯肯达尔效应，而小的纳米管的形成是源于钛酸盐纳米片的卷曲所致。钛酸盐纳米片的卷曲受到纳米片的表面张力和H2O2催化两者共同作用所致。由分等级管状TiO2(HTT)上层和纳米颗粒(NP)下层构成的双层结构DSSCs显示出增强的光电转换效率，其效率为6.2％，同时短路电流Isc为14.1 mAcm-2，开路电压Voc为736mV，填充因子ff为0.6。这种合成管状结构的方法在制备其它新型大孔/介孔管状结构的过渡金属氧化物方面具备潜在的应用。这些新型钛酸盐或TiO2管状结构在光催化、催化剂、电化学、吸附剂和生物科技等领域具有潜在的应用价值。