结构调制的多功能二氧化钛纳米管及其在染料敏化太阳能电池中的应用

摘要

二氧化钛纳米材料是当今使用最普遍的一种半导体材料，由于纳米结构具有多样性，在很多的应用方面都发挥着重要作用。尤其是在当今社会，能源短缺日益加剧，环境保护又刻不容缓，有关拥有清洁、可再生优势的太阳能电池的研究备受关注。染料敏化太阳能电池（dye-sensitised solar cells，DSSCs）在诸多种类中相对来说，成本低廉，制备又不复杂，随着第三代太阳能电池发展至今，已经取得了丰富的研究成果。光阳极结构一向是染料敏化电池中重要的组成部分，而TiO2是这一部分选材的首选，所以其一直受到人们的关注，也在不断地发展与创新。
　　TiO2纳米材料在DSSCs中，主要作为吸附染料敏化分子的载体，进而将光生电子传输给外电路。由于纳米管等一维纳米结构相比于纳米颗粒结构在电子传输等性能方面有着非常明显的优势，所以作为研究最广泛的光阳极材料，这种一维结构因其优秀的特性而备受关注。有关 DSSCs中光阳极的科研工作，主要是探讨以下几方面：（1）、制备具有更大比表面积的光阳极结构、（2）、提升电子在半导体材料中的传输效率以及（3）、提高染料对光的捕获等几个重点研究方向。本论文的主要工作是围绕TiO2纳米管(NT)材料的结构进行调制，在获得高性能的染料敏化电池的同时，研究发现NT的多功能性。详细的研究内容主要如下：
　　1) NT在染料吸附量上相比于纳米颗粒有很大的缺陷，针对这一缺点，我们希望制备出具有大比表面积的更小管径的管子，利用水浴法升高阳极氧化反应的温度，可以获得管长长度达16μm、管径75 nm的高比表面积的纳米管薄膜。大长径比的二氧化钛纳米管薄膜的成功制备，为其在DSSCs的光阳极结构中的工作状态增加了很多优势，由于染料吸附量的显明升高，无论是电池的效率，还有电池性能，都有了大幅度的改善和提高。
　　2)小管径纳米管薄膜由于其晶粒较小，更易受到基底效应的影响而在正常退火温度下产生金红石结晶态，这对 DSSCs各方面的性能表现都会产生负面作用。所以为制备出具有纯锐钛矿晶型的小管径的管子，采用了低温退火后自剥离的方法。利用这种方法不仅可以保持纳米管薄膜的形貌不受破坏，同时还不引入基底效应的影响进而避免了金红石晶型的产生。最后通过实验对比可发现，小管径 TiO2纳米管，如果其为纯锐钛矿晶型，那么相比于含有金红石晶型的，在电池的效率及电子传输性能方面都更为优秀。
　　3)为提高染料敏化电池的效率，合理的利用光散射层可以起到十分有利和显著的作用。利用大电压制备的接近可见光波长的大管径纳米管阵列作为光散射层，其散射作用相比于普通管径的纳米管阵列，有着明显的优势和发展潜力。在SEM分析了大管径纳米管薄膜的形貌后，将其作为光散射层，添加在DSSCs的光阳极上表面上，与无散射层、普通纳米管做散射层等结构进行了性能上的比较和分析，通过模拟和实验等多种角度证明了对于二氧化钛纳米管薄膜拥有这样的大管径确实具有非常优秀的散射作用。
　　4)基于前期的实验工作，结合大管径的散射优势，合成出双层TiO2纳米管薄膜，其上下两层的管径、管长均不同。利用其高温退火后的薄膜与纳米颗粒层的叠加组合，构成多层光阳极结构，使其同时拥有染料吸附层、电子传输层、光散射层等诸多功能。并且通过对多层光阳极中各层厚度的优化研究和分析比较，可以获得具有最优效率的染料敏化电池，相比于仅含纳米颗粒层，或者纳米颗粒与纳米管构成的双层组合，最高的情况为6.52％。

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第一章 绪论

1.1 二氧化钛纳米管

1.2 染料敏化太阳能电池简介

1.3本论文研究意义及主要内容

1.4 参考文献

第二章 实验材料及方法

2.1 实验原料

2.2 纳米管制备及电池组装方法

2.3 所需仪器设备及表征方法

2.4 本章小结

2.5 参考文献

第三章 小管径二氧化钛纳米管在DSSCs中的应用

3.1 引言

3.2 小管径TiO2纳米管的制备

3.3 基于小管径TiO2纳米管的DSSCs性能分析

3.4本章小结

3.5 参考文献

第四章 小管径二氧化钛纳米管的结晶度

4.1 引言

4.2 锐钛矿型小管径纳米管的制备

4.3小管径纳米管结晶度对DSSCs的影响

4.4 本章小结

4.5 参考文献

第五章 作为散射层的大管径二氧化钛纳米管的制备

5.1 引言

5.2 大管径TiO2纳米管的制备

5.3 利用大管径纳米管作散射层的DSSCs性能分析

5.4本章小结

5.5 参考文献

第六章 双层二氧化钛纳米管作多层光阳极结构的应用

6.1 引言

6.2 双层二氧化钛纳米管的制备及表征

6.3 最优结晶温度的选择

6.4复合结构光阳极最优组合的研究

6.5 本章小结

6.6 参考文献

第七章 全文总结

7.1 主要结论

7.2研究展望

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢