TiO2光阳极薄膜的制备、改性和结构优化及其光电性能研究

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1、？次＃尤摩ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文一级学科化学工程与技术：学科专业：应用化学作者姓名：刘琳指导教师：冯亚青教授天津大学研究生院２０１７年５月TiO2光阳极薄膜的制备、改性和结构优化及其光电性能研究StudiesonPreparation,Modification,StructureOptimizationandPhotoelectricPropertiesofTiO2PhotoanodeMaterials一级学科：化学工程与技术学科专

2、业：应用化学作者姓名：刘琳指导教师：冯亚青教授天津大学化工学院二零一七年五月摘要本论文以提高染料敏化太阳能电池（DSSCs）的光电性能为目标，从制备、改性和结构优化三个方面制备了不同的二氧化钛（TiO2）光阳极薄膜材料：探索优化微乳液法制备高效光电性能TiO2纳米粒子的制备工艺；利用石墨烯掺杂改性TiO2光阳极薄膜；制备兼具高比表面积和光利用率的介孔TiO2薄膜取代纳米薄膜。将新材料制备光阳极并组装DSSCs，提高了电池的光电转化效率，并研究了材料对电池光电性能的影响因素。微乳液法制备纳米TiO2光阳极薄膜材料以钛酸丁酯为钛源，制备TiO2纳米粒子，作

3、为光阳极组装DSSCs。探索微乳液反应体系下，钛离子水解缩合反应中回流、水热和体系pH的优化反应条件，得到碱性条件下，75℃回流控制是微乳液法制备高效光电性能TiO2纳米粒子的优化条件。水热处理TiO2微乳液前驱体则会降低最终制备的DSSCs的光电效率。研究不同表面活性剂Tween80和Tx-100和水相用量对于制备TiO2纳米粒子的粒径尺寸、粒径分布及其对光电性能的影响，当Tx-100作为表面活性剂，水相与钛酸丁酯的摩尔比R值为35时，可以得到粒径分布较窄且大小均匀（约10-15nm），适宜作为DSSCs光阳极薄膜的纳米材料。获得了制备适用于DSSC

4、s光阳极TiO2纳米粒子的微乳液体系，Tx-100/正丁醇/环己烷/水，采用以上优化的反应条件制备出了光电性能良好的TiO2纳米粒子，组装的DSSCs光电转化效率为6.36%。石墨烯掺杂改性TiO2光阳极薄膜将氧化石墨（GO）溶液沉积到制备好的TiO2光阳极多孔薄膜上，在惰性气体环境中热处理还原，即可得到石墨烯（GN）掺杂的石墨烯-TiO2（GN-TiO2）光阳极。通过控制GO溶液的沉积时间来控制GN的掺杂量，制备GN无损失的GN-TiO2光阳极，从而得到光阳极组分稳定，器件重复性好的GN-DSSCs。对GN-TiO2光阳极薄膜和其组装的GN-DSSC

5、s进行了一系列的材料表征和电池性能研究，发现GN可以作为TiO2材料的晶型转化促进剂，使TiO2在500℃时发生锐钛矿相向金红石相的转变。得到的混晶结构的光阳极可以促进DSSCs中的电子传输、抑制电子复合，从而提高电池的光电性能。当GO溶液的沉积时间为6h，光阳极薄膜中GN的含量为3.12%，制备的DSSCs光电性能最好，光电转化效率达到6.85%，比空白TiO2光阳极组装的DSSCs提高了11.7%。并提出了GN-DSSCs中可能的电子传输途径。介孔TiO2光阳极薄膜以TiCl4为钛源，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧

6、乙烷三嵌段共聚物（P123）为模板剂，控制模I板剂与TiCl4的比例，通过水热法制备了介孔TiO2（MT）材料，并制备成介孔结构光阳极薄膜应用到DSSCs上。研究发现，不同的模板剂可以控制得到不同晶型的MT材料，CTAB做为模板剂可以得到金红石型MT材料（MT-C材料），P123作为模板剂可以得到锐钛矿型MT材料（MT-P材料）。MT材料是由大量的纳米TiO2颗粒组成的微米级团聚型球结构，这种团聚型球结构与对照组纳米TiO2颗粒（P25）相比，具有较大的比表面积和适合电解液扩散的孔径，同时还具有对入射光的散射性能。MT-P光阳极由于TiO2晶格中缺陷更

7、少，同时表面吸附的-OH更多，而表现出了比MT-C光阳极更长的电子寿命和更大的光电流的优势。MT-DSSCs系列电池中性能最佳的DSSCs，光电转化效率达到8.12%，同比条件下比P25-DSSCs的光电转化效率提高了57.7%。同时金红石型的MT-C光阳极的电池效率，比锐钛矿型的纳米TiO2光阳极的电池效率提高了5.4%。关键词：微乳液法，石墨烯掺杂，介孔二氧化钛，二氧化钛光阳极，染料敏化太阳能电池IIABSTRACTInordertoimprovethephotoelectricpropertiesofdye-sensitizedsolarcell

8、s(DSSCs),differenttitaniumdioxide(TiO2)photoano