染料敏化纳米二氧化钛电极的制备及性能研究

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1、摘要摘要18世纪以来，石油、天然气和煤炭等化石能源在经历了人类近百年的消费后，已经消耗了相当比例。从环境角度来看，化石能源的大量开发和利用，是造成环境污染与生态破坏的主要原因之一。作为解决能源危机和环境污染的焦点，太阿{能是一种无污染并且取之不尽的能源，近年来越来越受到各国政府的重视。染料敏化太阳能电池(Dye—sensitizedSolarCell，DSSC)作为一种新型的光电化学太阿l能电池以其制作工艺简单，成本低，性能稳定等特征而成为研究的热点。本论文在总结染料敏化太阳能电池工作原理、各部分材料特点、最新发展的基础上，探讨了币02薄膜电极内的电子传输机理，并结

2、合适当的等效电路和理论模氆，从物理学角度提出了优化电池光电性fig(如：Jsc、Voc和FF)的有效措施。本实验围绕太阳能电池中关键的染料敏化半导体电极进行研究，系统的分析了醇盐水解酸、水热处理条件及烧结温度对电池光电压、光电流和填充因子等方面的影响；并研究了对Ti02薄膜电极进行ncl4后处理对电池光电性能的影响。在醇盐水解酸试剂方面，研究了硝酸和冰醋酸两种不同酸溶液体系所制备的纳米币02胶粒的性能。结果表明：采用冰醋酸溶液体系制备的纳米Ti02粒径较大，分布均匀，粒子之间界限分明，经450℃的高温烧结后仍表现为纯锐钛矿，由它制备的电池的短路电流(Jsc)和光电转

3、化效率(11)分别高出硝酸的达87％和80％。在水热反应条件方面，重点研究了水热时间和水热温度对Ti02电极光电性能的影响。结果表明：提高水热处理温度或延长水热反应时间，都将引起纳米Ti02颗粒粒径的增大。但由颗粒大小引起的电极薄膜孔径及表面积的变化，并不是影响薄膜电极的染料吸附量，从而影响电池的短路电流和光电转化效率的主要原因。其关键影响冈素是，水热处理温度引起了纳米Ti02颗粒表面能的变化。提高水热处理温度，能有效提高纳米Ti02晶粒的表面能，因而能有效提高染料的吸附量，促使电池短路电流和光电转化效率的提高；同理，延长水热反应时间，尽管也引起了Ti02颗粒的稍微

4、增大，但对晶粒的表面能没有太大影响，因而对应的电极的染料吸附量和电池的光电性能基本不变。利用电子在电极内传输的理论分析模型和实验测试相结合的方法，有效分析了烧结温度对Ti02电极膜表面形貌、晶体结构及最终光电性能的影响。结果如下：第一，同一烧结温度下，电池的Voc和FF受丝网印刷层数影响不大，而Jsc和TI均随着印刷层数的增加呈现先增大后减小的变化趋势；第二，烧结温度越高，电池的Jsc和n随印刷层数变化的速率越大，达到最佳光电流所对应的印刷层数也越大，因而提高烧结温度，有利于增加膜厚度；第三，烧结温度越高，最佳印刷层数下得到的Jsc和Tl也越高。研究了TiCh后处理

5、币Q薄膜电极的性能，对其改善电极光电性能的机理进行了探讨。得出结论：对”02薄膜电极进行TiCh后处理，有利于提高电池的短路电流Jsc和光电转化效率n，这主要归因于TiCh后处理引起了，n02导带边电位的下移，大大提高了电荷的注入效率。关键词：染料敏化太阳能电池；Ti02电极；醇盐水解酸；水热条件；烧结温度；TiCh后处理；光电性能AbstractSince18mcentury,humanbeingshavebeenusingunregenerateenergy,suchasoil，naturegas，coilandsoon．FromthenoN，theunrege

6、nerateenergyhasbeencombustedalotandisfacingthecrisisofenergyshortnowadays．Andonanotheraspectofenvironmentprotection，theunlimiteduseofoilenergyisthemaincauseofenvironmentpollutionanddestructionofecology．Solarenergyisakindofcleanandalmostunlimitedenergy,thusmakeitbecamefocusofsolvingthee

7、nergycrisisandenvironmentalpollution．Recently,manycountriesarefocusingontheresearchofsolarenergy’scommercialuse．Dye-sensitizedSolarCell(DSSC)hasattractedmuchattentionasanovelphotoelectrochemicalsolareellbasedonlow-cost,simpletechniqueandstablecharacter．Inthisarticle，basedonthereviewo