稀土离子掺杂TiO2纳米材料的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

摘要

纳米尺寸的TiO2半导体材料具有较高的禁带宽度与耐光腐蚀性，因此被认为是最具有发展潜力的太阳能电池的光阳极材料[1]。适当的掺杂金属和非金属元素掺杂有利于改善 TiO2的光吸收，抑制光生载流子的复合，拓宽可见光谱的响应范围并提高光电性能。因此，如果利用下转换发光机理把紫外光转换为能被染料吸收利用的可见光，对于提高染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电转换效率具有重要的意义。本论文通过掺杂稀土元素提高了DSSC对光的利用率，增大了光电流，从而提高了光电转换效率，其测试结果如下：
　　1）为了提高DSSC的光电转换效率，将Sm3+掺杂到TiO2光阳极中：增强了对可见光的吸收、比表面积和光电流密度Jsc。不同的掺杂量相对比，最优掺杂量为0.05 g-Sm/TiO2，填充因子为0.69，光电转换效率为7.23％，它的性能明显优于未掺杂Sm3+的光阳极。其提高的主要原因是Sm3+的引入，从而利用下转换发光机理把紫外光转换为能被染料吸收利用的可见光以及增加染料的吸附量。
　　2）采用水热-煅烧法制备了 La3+掺杂的TiO2的下转换纳米材料，并且将其应用于DSSC中。通过XRD、SEM、EDX等对La/TiO2的光阳极的结构、形貌、下转换发光特点行进了表征。在掺杂量为0.05 g-La/TiO2中，所制DSSC的光电转换效率最高为7.02%，比未掺杂时高10.36%。光电转换效率提高的主要原因染料吸附量的增加和可见光利用率的增加。
　　3）通过水热-煅烧法制备了Ce/TiO2纳米材料，并将其应用于DSSC中。通过XRD、SEM、EDX等方法对其物理性质进行了表征，J-V、EIS、UV-Vis等手段对其电化学性质进行了测试。当掺杂量为0.05 g-Ce/TiO2时，DSSC的光电性能最好，达到了7.02%的光电转换效率。
　　4）采用水热-超声法制备了Sm3+掺杂的介孔TiO2的下转换纳米材料，并且将其应用于DSSC中。Sm掺杂的TiO2薄膜电极具有较大的比表面积因此具有较高的染料吸附量，并且 Sm的特殊性质有利于内部电子的传输。在相同条件下1.5%-Sm/TiO2比未掺杂的TiO2光电流密度增大了2.48 mA/cm2，光电转换效率提高了26.56%。
　　5）采用水热-超声法制备了介孔微球Y/TiO2的下转换纳米材料，通过SEM、XRD、BET等测试对其物理性质进行了表征.经过物理性质的分析认为介孔微球Y/TiO2适合做DSSC的光阳极。

目录

声明

第一章 文献综述

引言

1.2 太阳能电池的研究进展

1.2 染料敏化太阳能的研究进展

1.3 光阳极纳米TiO2半导体膜的掺杂与表面修饰

1.4 课题的来源及意义

1.5 研究的思路和研究内容

第二章 Sm掺杂TiO2纳米材料的制备及应用于DSSC的研究

引言

2.1 实验部分

2.2 TiO2的表征和电池性能的测试

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 La掺杂TiO2纳米粒子的制备及光电性能的研究

引言

3.1 实验部分

3.2 TiO2的表征和电池性能的测试

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 Ce掺杂TiO2纳米粒子的制备及光电性能的研究

前言

4.1 实验部分

4.2 TiO2的表征和电池性能的测试

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 Sm掺杂TiO2介孔微球的制备及光电性能的研究

前言

5.1 实验部分

5.2 TiO2的表征和电池性能的测试

5.3 结果和讨论

5.4 本章小结

第六章Y掺杂TiO2介孔微球的制备

前言

6.1 实验部分

6.2 Y/TiO2纳米材料的表征

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 论文结论

7.2 未来展望

参考文献

发表论文情况说明

致谢