柔性DSSC用TiO2纳米管阵列薄膜制备及性能研究

摘要

TiO2纳米管阵列由于具有较大的比表面积，稳定的化学性质，低廉的价格，作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料而应用到能源领域，以纳米管阵列为光阳极的太阳能电池的光电转化效率却一直很低。光阳极的组成和结构将直接影响染料敏化太阳能电池的转换效率和长期稳定性，本论文使用阳极氧化法在钛片表面制备出排列整齐，形貌可控的TiO2纳米管阵列，并研究了控制纳米管形貌的工艺条件。在此基础上，探寻纳米管阵列作为染料敏化太阳能电池光阳极材料的最佳组成和结构。另外，对无衬底TiO2纳米管阵列薄膜的制备及其光电性能做了初步探索。主要内容如下:
　　(1)用阳极氧化法在钛片表面制备了TiO2纳米管阵列，探究各氧化工艺（NH4F浓度、氧化电压、氧化时间、氧化温度、热处理）对纳米管阵列形貌的影响，实现对纳米管阵列形貌的精确控制。并对阳极氧化法下纳米管阵列薄膜的生长机理做进一步的阐释。结果发现，在温度较高时，使用适合的电解液，可以得到较高的生长速率。另外，平均管径及管壁厚度与阳极氧化温度有关，在两步阳极氧化之间进行热处理，可以避免纳米管表面倒伏，得到大管径、薄管壁的纳米管阵列。
　　(2)在前一步工作的基础上，探索了使用“自剥离法”制备无衬底TiO2纳米管阵列薄膜。结合热处理和阳极氧化法，实现大面积的TiO2纳米管阵列薄膜从钛片表面剥离，通过调节热处理温度，可以控制无衬底TiO2纳米管阵列薄膜的底部形貌。实验表明热处理温度为300℃时，剥离得到的纳米管底部为部分开口，当温度升高到400℃时，纳米管底部完全封闭。
　　(3)考察了不同形貌和衬底的TiO2纳米管阵列薄膜的光电性能。以Ti片为基底的纳米管阵列为光阳极材料封装太阳能电池，并测试其光电性能。太阳能电池的转换效率与管径和管长呈正相关，对于这一现象的合理解释是较大的管长和管径能够吸附更多的染料，从而增加光生电子的数量。当纳米管长度为8.3μm时，所组装电池的光电转化效率最高，为3.23％。在以FTO为基底的太阳能电池中，热处理温度为200℃时，电池的光电转化效率为3.45％。研究TiO2纳米管阵列薄膜在前光式和背光式两种结构的DSSC中的光电特性，前光式电池的光电转化效率为4.01％，比背光式电池高出17.5％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 TiO2与染料敏化太阳能电池

1．1．1 TiO2的基本性质

1．1．2 染料敏化太阳能电池的发展

1．1．3 染料敏化太阳能电池的工作原理

1．1．4 纳米TiO2的光电性质

1．1．5 新型DSSC光阳极结构

1．2 TiO2纳米管阵列的应用

1．2．1 光催化材料

1．2．2 TiO2纳米管阵列在DSSC中的应用

1．3 TiO2纳米管阵列的制备方法

1．3．1 模板合成法

1．3．2 水热合成法

1．3．3 气相沉积法

1．4 阳极氧化法制备TiO2纳米管的研究现状

1．5 本课题的研究目的及内容

第2章 实验与研究方法

2．1 实验所用试剂与设备

2．1．1 实验设备

2．1．2 实验原料

2．2 阳极氧化法制备TiO2纳米管的实验过程

2．2．1 实验装置

2．2．2 两步阳极氧化法制备TiO2纳米管的实验过程

2．3 染料敏化太阳能电池的制备

2．4 测试方法及表征手段

2．4．1 晶体结构测试

2．4．2 微观形貌测试

2．4．3 紫外-可见漫反射光谱(DRS)分析

2．4．4 入射单色光子-电子转化率(IPCE)

2．4．5 DSSC光电性能测试

2．5 本章小结

第3章 阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列的研究

3．1 一次阳极氧化对TiO2纳米管的影响

3．2 热处理对TiO2纳米管阵列的影响

3．3 阳极氧化电压对TiO2纳米管的影响

3．4 电解液温度对生长速度的影响

3．5 热处理方法避免纳米管顶端倒伏

3．6 NH4F浓度对纳米管阵列的影响

3．7 氧化时间对TiO2纳米管形貌的影响

3．8 两次阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列反应过程分析

3．9 本章小结

第4章 TiO2纳米管阵列薄膜的光电性能研究

4．1 以TiO2纳米管为光阳极的DSSC的组装

4．2 TiO2纳米管管径对DSSC光电转化效率的影响

4．3 TiO2纳米管管长对DSSC光电转化效率的影响

4．4 TiO2纳米管的紫外-可见漫反射光谱分析

4．5 本章小结

第5章 无衬底TiO2纳米管阵列的制备及其光电性能研究

5．1 引言

5．2 样品的制备

5．2．1 制样准备工作

5．2．2 TiO2纳米管薄膜的制备与剥离

5．3 实验结果分析与讨论

5．3．1 样品形貌分析

5．3．2 样品晶体结构分析

5．3．3 TiO2纳米管阵列剥离机理分析

5．4 无衬底TiO2阵列薄膜光电性能研究

5．4．1 前光式DSSC的制备

5．4．2 不同热处理温度下的前光式DSSC的光电性能

5．4．3 不同结构的DSSC的光电性能

5．5 不同衬底DSSC的光电转化效率

5．6 不同衬底的DSSC的量子效率(IPCE)

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 存在问题及展望

参考文献

致谢