染料敏化太陽能電池用TiO2納米晶的結(jié)構(gòu)設(shè)計與界面修飾.pdf

1、染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs)具有成本低廉、工藝簡單和理論光電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，被認為最有可能取代傳統(tǒng)硅基太陽能電池。由TiO2納米顆粒組成的多孔薄膜擁有巨大的比表面積，在染料敏化太陽能電池中起到吸附染料分子與傳輸電子的重要作用。光陽極薄膜仍存在一些缺點限制了電池的光電轉(zhuǎn)換效率：由微小納米顆粒組成的多孔薄膜對太陽光的透過率較高，只利用了一部分入射光，捕光效率不高；薄膜內(nèi)部存在大量

2、的晶界與缺陷，嚴重阻礙電子的傳輸；TiO2層薄膜疏松多孔的特性使FTO導(dǎo)電玻璃暴露在電解質(zhì)溶液中，導(dǎo)致一部分光生電子直接與電解質(zhì)中的I3–反應(yīng)，造成電子泄露。本論文針對上述問題，通過對TiO2納米晶的可控結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備與界面修飾，來提高染料敏化太陽能電池的捕光能力與電子收集效率。開展的主要工作有：
　　(1)通過水熱反應(yīng)合成了多級結(jié)構(gòu)TiO2散射顆粒。用廉價的硫酸鈦和硫酸銨等無機鹽混合溶液取代鈦醇鹽，于120°C下水熱反應(yīng)15 h

3、，再將沉淀600°C燒結(jié)，獲得了多級TiO2顆粒。SEM表明顆粒的直徑為150~200 nm，是由直徑為20~30 nm的小晶粒緊密連接而成，氮氣等溫吸-脫附測試顯示其比表面積達到43.2 m2 g-1，具有吸附染料和散射入射光的雙重功能。將其制備成散射層漿料涂覆在半透明TiO2納米晶薄膜上，J-V測試結(jié)果顯示，最終的電池短路電流密度(Jsc)高達20.5 mA cm-2，開路電壓(Voc)為0.698 V，填充因子(FF)為63.4％

4、，電池的光電轉(zhuǎn)換效率(η)達到9.07%。相對于沒有加散射層的電池提高了25%，效果明顯優(yōu)于商用散射粒子。
　　(2)通過一步分解的固相法制備連通結(jié)構(gòu)TiO2納米晶。使用工藝簡單的固相法，一步熱分解復(fù)鹽硫酸氧鈦銨獲得了連通結(jié)構(gòu)TiO2納米晶，SEM表明其粒徑尺寸為15~30 nm，氮氣等溫吸-脫附測試顯示其比表面積為72.8 m2 g-1，納米晶特殊的連通結(jié)構(gòu)有助于減小電子擴散過程中的復(fù)合，提高了染料敏化太陽能電池的光電流和光電轉(zhuǎn)

5、換效率。J-V測試結(jié)果顯示，利用這種納米晶制備的電池的短路電流密度(Jsc)為15.94 mA cm-2，光電轉(zhuǎn)換效率為8.16%，而商用P25納米TiO2制備的電池只有14.10 mA cm-2、7.18%。說明這種固相法制備的納米晶具有成本低、性能好的特點，將十分有利于染料敏化太陽能電池的工業(yè)生產(chǎn)。
　　(3)通過液相沉積法在FTO表面制備了具有凹凸納米結(jié)構(gòu)致密TiO2薄膜阻擋層。首先利用四氯化鈦水解在FTO表面制備了一層晶種

6、，然后以六氟鈦酸銨為鈦源，通過液相沉積法在FTO表面制備了致密銳鈦礦相TiO2薄膜。SEM表明薄膜厚度為100 nm左右，由10~30 nm的小晶粒緊密堆積而成，形成了山谷狀凹凸納米結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了薄膜的表面粗糙度，而且其晶粒尺寸與多孔薄膜中的納米晶尺寸很接近，因此，這種結(jié)構(gòu)的薄膜使多孔層與導(dǎo)電基底結(jié)合更好。用作染料敏化太陽能電池的阻擋層，暗電流測試表明其致密的特點將有效抑制暗反應(yīng)，凹凸的納米結(jié)構(gòu)可增強與TiO2的接觸面積，使短路電