介孔二氧化钛球的尺寸与孔径调节及其在染料敏化太阳能电池中的应用

摘要

近年来，二氧化钛介孔材料以其优良的吸附性能和独特的光电等物理性质而引起了人们的极大关注。本论文以制备性能优良的二氧化钛介孔球为目的，通过改变反应参数，考察了反应条件对其形貌与孔径的影响，并以所得形貌较好的二氧化钛介孔球作为染料敏化太阳能电池光阳极材料，研究了介孔球的孔径大小对电池性能的影响。
　　 以十六胺为结构导向剂，通过溶胶-凝胶过程中水与钛源的摩尔比在0/1～30/1之间变化，合成了具有不同形貌的二氧化钛前驱体球，实现了球的直径在200-1750 nm之间的连续可调，且随水与钛源摩尔比的增大，前驱体球的直径呈逐渐减小的趋势。
　　 固定水与钛源的摩尔比，改变溶胶-凝胶过程中十六胺的含量，考察了结构导向剂对二氧化钛前驱体球的形貌的影响，发现结构导向剂在成球过程中起着重要的作用，且在一定范围内前驱体球的直径会随着结构导向剂含量的增多而变大。
　　 改变结构导向剂的种类，考察了不同烷基碳链长度的有机胺对二氧化钛前驱体球的形貌的影响，结果表明，较长的碳链有利于形成质量较高的二氧化钛前驱体球，适当选取有机胺的烷基碳链长度可以获得形貌很好的二氧化钛前驱体球。
　　 选择价格相对低廉、环境比较友好的正己胺作为结构导向剂，控制水与钛源的摩尔比在0/1～50/1之间变化，可实现二氧化钛介孔球的直径在300 nm至1400 nm间的有效调节；且随着反应时间的延长，球的表面越来越光滑，直径越大，最后可达1400 nm。该球通过溶剂热(氨水与乙醇的混合溶液)后处理反应，经烧结后所得产物的孔径在18.9～40.0 nm之间连续可调，且仍然保持球的形貌，这是目前为止文献报道的孔径最大的、具有规则孔结构的介孔二氧化钛材料。以其作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料，吸附N719染料后组装的染料敏化太阳能电池器件，其光电转换效率由介孔球的比表面积和孔径共同决定，最高能量转化效率达到6.43％，初步显示了TiO2介孔球在太阳能利用领域中的应用潜力。

目录

文摘

英文文摘

1 引言

1.1 太阳能电池概述

1.1.1 太阳能电池的发展历史及现状

1.1.2 太阳能电池的分类

1.1.3 传统太阳能电池的工作原理

1.2 染料敏化太阳能电池(DSSCs)简介

1.2.1 染料敏化太阳能电池的发展及组成

1.2.2 染料敏化太阳能电池的优点

1.2.3 染料敏化太阳能电池的工作原理

1.2.4 染料敏化太阳能电池的基本概念及性能评价

1.3 TiO2的性质及制备方法

1.3.1 TiO2的基本性质

1.3.2 TiO2的制备方法

1.4 TiO2材料的应用

1.5 论文工作背景及设想

2 实验

2.1 化学试剂

2.2 表征

2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)

2.2.2 透射电子显微镜(TEM)

2.2.3 X射线粉末衍射(XRD)

2.2.4 氮气吸附-脱附实验(N2 adsorption-desorption)

2.2.5 拉曼光谱(Raman spectroscopy)

3 TiO2前驱体球的形貌控制

3.1 引言

3.2 十六胺作结构导向剂时水含量对TiO2前驱体球形貌的影响

3.2.1 样品的合成

3.2.2 结果与讨论

3.2.3 本节小结

3.3 结构导向剂含量对TiO2前驱体球形貌的影响

3.3.1 样品的合成

3.3.2 结果与讨论

3.3.3 本节小结

3.4 结构导向剂碳链长度对TiO2前驱体球形貌的影响

3.4.1 样品的合成

3.4.2 结果与讨论

3.4.3 本节小结

3.5 正己胺作结构导向剂时水含量对TiO2前驱体球形貌的影响

3.5.1 样品的合成

3.5.2 结果与讨论

3.5.3 本节小结

3.6 以正己胺作结构导向剂研究反应时间对TiO2前驱体球的影响

3.6.1 样品的合成

3.6.2 结果与讨论

3.6.3 本节小结

3.7 本章小结

4 水热后处理制备TiO2介孔球及孔径调节

4.1 引言

4.2 TiO2前驱体球扩孔制备介孔球

4.2.1 样品的制备

4.2.2 结果与讨论

4.3 本章小结

5 染料敏化太阳能电池工作电极的制备及性能测试

5.1 引言

5.2 电极制备及电池组装、性能测试

5.2.1 染料敏化电池TiO2介孔球工作电极的制备及电池组装

5.2.2.染料敏化太阳能电池性能分析

5.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间已发表学术论文情况

致谢