金属离子掺杂纳米TiO2在染料敏化太阳能电池中的光电性能研究

摘要

染料敏化太阳能电池(DSCs)，因其制备过程成本低，光电转换效率高被认为是一种非常有前景的无污染能源中的可再生能源。工作电极纳米晶TiO2薄膜作为染料分子的支撑和吸附载体以及电子传输的载体，是DSCs的一个重要组成部分。本论文主要研究了三种不同金属掺杂TiO2纳米晶体颗粒，并将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极，测量了不同金属掺杂后对电池的光电性能产生的影响。主要取得的研究成果如下:
　　 (1)采用水热法制备了Mg掺杂的TiO2纳米颗粒，将其制备成薄膜电极，用Mott-Schottky法，强度调制光电流谱(IMPS)以及光电流与光电压曲线，分别测量了掺杂对平带电位、电子传输性能以及电池的光电性能的影响。研究发现，Mg掺杂后平带电位发生负向移动，有利于提高电池的光电压。强度调制光电流谱(IMPS)测定结果表明，掺杂后电子的传输性能得到改善，当掺杂量为1％时，传输时间最短为2.27ms。通过三种掺杂量的光电性能研究，电池的短路电流与光电压都得到了改善。没有掺杂的TiO2的光电转换效率为7.36％，当最佳掺杂量为1％时得到最高的光电转换效率为8.46％。
　　 (2)制备了Sb掺杂的纳米TiO2，将其制成薄膜电极测定平带电位发现发生正向移动，提高了电池的短路光电流，开路光电压会略有降低。IMPS测试出掺杂后电子的传输性能得到改善，同样提高到了短路光电流。综合结果表现为最佳光电性能是在掺杂量为1％时得到的，最高的光电转换效率为8.13％。
　　 (3)制备Zr掺杂的纳米TiO2，将其制成薄膜电极后测定平带电位，结果表明掺杂后平带电位负向移动，提高了开路光电压。不同掺杂量的光电性能测试得出，当掺杂Zr量为0.5％时为最佳，光电转换效率为7.83％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 太阳能电池简介

1.2 染料敏化太阳能电池

1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构组成

1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理

1.2.3 电池的相关光电参数

1.3 染料敏化太阳能电池工作电极的研究进展

1.3.1 工作电极材料

1.3.2 纳米TiO2薄膜的制各方法

1.3.3 薄膜的修饰改性

1.4 课题提出的目的与意义以及主要内容

1.4.1 课题提出的目的与意义

1.4.2 主要的实验内容

第二章 染料敏化太阳能电池的制备及研究方法

2.1 实验部分

2.1.1 实验材料与仪器

2.1.2 导电基底的预处理

2.1.3 制备胶体纳米TiO2

2.1.4 光阳极TiO2的制备

2.1.5 对电极的制备

2.1.6 染料敏化电池的组装

2.1.7 光阳极染料吸附量的测量

2.2 表征与性能测试

2.2.1 工作电极材料的形貌,晶型和光电子能谱测试

2.2.2 强度调制光电流谱(IMPS)强度调制光电压谱(IMVS)的测量

2.2.3 薄膜电极的平带电位测试

2.2.4 电池的光电性能测试

第三章 Mg掺杂TiO2在染料敏化太阳能电池中的光电性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 导电基底的预处理

3.2.3 胶体的制备

3.2.4 Mg掺杂TiO2工作电极的制备及电池的组装

3.2.5 掺杂TiO2电极的表征与电池性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 掺杂Mg的TiO2形貌表征

3.3.2 Mg掺杂对TiO2晶型产生的影响

3.3.3 Mg掺杂对TiO2表面XPS分析

3.3.4 Mg掺杂对电荷传输产生的影响

3.3.5 Mg掺杂TiO2电极的IMVS测试

3.3.6 Mg掺杂TiO2电极的费米能级测试分析

3.3.7 Mg掺杂TiO2电极光电性能测试分析

3.4 小结

第四章 Sb掺杂TiO2对染料敏化太阳能电池的光电性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验材料

4.2.2 导电基底的预处理

4.2.3 胶体的制备

4.2.4 Sb掺杂TiO2工作电极的制备及电池的组装

4.2.5 掺杂TiO2电极的表征与电池性能测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 锑掺杂后TiO2形貌以及相结构的变化

4.3.2 Sb掺杂TiOz的表面XPS表征分析

4.3.3 Sb掺杂TiO2的紫外吸收光谱分析

4.3.4 Sb掺杂TiO2的IMPS/IMVS分析

4.3.5 Sb掺杂TiO2对平带电位产生的影响

4.3.6 Sb掺杂TiO2电极光电性能测试分析

4.4 小结

第五章 Zr掺杂TiO2在染料敏化太阳能电池中的光电性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验材料

5.2.2 导电基底的预处理

5.2.3 胶体的制备

5.2.4 TiO2及Zr掺杂TiO2复合薄膜电极的制备及电池的组装

5.2.5 Zr掺杂TiO2电极的表征与光电性能测试

5.3 结果与讨论

5.3.1 Zr掺杂对TiO2形貌影响的表征分析

5.3.2 Zr掺杂TiO2对晶型产生的影响

5.3.3 Zr掺杂TiO2的拉曼光谱

5.3.4 Zr掺杂TiO2的XPS表征分析

5.3.5 Zr掺杂TiO2对电子传输性能产生的影响

5.3.6 Zr掺杂TiO2对平带电位产生的影响

5.3.7 Zr掺杂TiO2对光电性能产生的影响

5.4 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书