硅质壳/氧化钛复合材料的制备及其在太阳能电池中的应用

摘要

由于硅藻硅质壳在微纳米尺度范围内具有精美绝伦的三维立体结构，以及这种结构赋予它的高比表面积、高韧性以及高传输率等非同一般的性质，使其成为新型材料领域的研究热点。与此同时，随着化石能源的日渐匮乏，太阳能作为新能源的典型代表被广泛关注。近年来，通过众多科学工作者的不懈努力，在太阳能电池的研究方面取得了很大的进展，其中，染料敏化太阳能电池作为太阳能电池中的新成员，因其结构简单、易于制造、成本低廉而备受瞩目。本文选取了个体较大、易于分离观察的圆筛藻（Coscinodiscussp.）硅质壳为模板，利用钛的前躯体，通过模板合成-乙酰丙酮-溶胶凝胶法，在温和的条件下成功合成了基于圆筛藻硅质壳三维结构的硅质壳/氧化钛复合材料和硅质壳/掺N氧化钛复合材料，并以此为基础成功获得了生物形状的木耳状氧化钛纳米材料；借助扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）、红外光谱（IR）以及固体荧光等表征手段对得到的三类材料进行了表征，提出了材料制备的可能反应机理。在此基础上，对比分析了不同材料的染料敏化太阳能电池的性能。
　　主要研究成果如下：
　　（1）圆筛藻（Coscinodiscussp.）硅质壳呈精细的三维多级孔状结构；Si-O-Si基团为硅质壳上的主要基团，未经高温煅烧处理的硅质壳表面存在Si-OH活性基团，但经550℃以上的高温加热后，Si-OH活性基团消失；硅质壳的光致发光特征波长为311nm。
　　（2）利用圆筛藻硅质壳模板-乙酰丙酮-溶胶凝胶法合成了硅质壳/氧化钛、硅质壳/掺N氧化钛以及生物形状氧化钛纳米材料，并得出了基于该方法的最佳硅钛摩尔比为3:1。在此基础上阐述了制备过程的反应机理。制备出了具有光放大功能的反蛋白石结构的三种不同光电材料，即硅质壳/氧化钛、硅质壳/掺N氧化钛、木耳状的生物形状氧化钛。通过扫描电子显微分析，得出了硅质壳/掺N氧化钛复合材料的表面材料涂覆比硅质壳/氧化钛复合材料表面材料涂覆更加均匀；扫描电子显微分析和X射线衍射分析结果表明生物形状氧化钛纳米材料的氧化钛粒径有所减小，显然，其木耳状大大增加了材料的比表面积；通过荧光分析得出硅质壳/氧化钛复合材料的光致发光特征波长为399nm。
　　（3）制成了性能良好的以硅质壳/氧化钛复合材料改性的氧化钛基染料敏化太阳能电池，其最大能量转化率为3.12％，较同薄膜体积的氧化钛染料敏化太阳能电池而言，能量转化率提高了约50％。与此同时，得出了采用不同材料的染料敏化太阳能电池的能量转化率的顺序为：加入硅质壳/氧化钛复合材料的＞加入圆筛藻硅质壳的＞普通的。

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1 前言

1.1硅藻硅质壳的结构、改性及应用

1.2 染料敏化太阳能电池的概述

1.3本文的研究目标和主要研究内容

2 实验部分

2.1 实验仪器与试剂材料

2.2 圆筛藻的培养基硅质壳结构的提取与表征

2.3圆筛藻硅质壳/氧化钛及生物形状氧化钛的合成

2.4圆筛藻硅质壳/掺N氧化钛及生物形状掺N氧化钛的合成

2.5纳米材料的表征

2.6染料敏化太阳能电池的制作及其性能测试

3结果与讨论

3.1圆筛藻硅质壳的结构、组成及光学性质分析

3.2圆筛藻硅质壳/氧化钛及生物形状氧化钛的分析

3.3硅质壳/掺N氧化钛复合材料的表面形貌分析

3.4多种染料敏化太阳能电池的对比分析

4结论

参考文献

致谢

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