雙層TiO2復(fù)合膜染料敏化太陽能電池的制備與性能增強(qiáng).pdf

1、自從1991年O'Regan和Gratzel將具有高比表面積的納米晶介孔TiO2引入到染料敏化太陽能電池(DSSCs)，并在一個(gè)太陽光照(AM1.5)條件下取得7.12％的光電轉(zhuǎn)換效率以來，由于制備工藝簡單、質(zhì)量輕、成本低以及公眾對(duì)能源供應(yīng)短缺關(guān)注等原因，DSSCs引起了人們的廣泛興趣。在過去的二十年間，人們?cè)诩{米顆粒DSSCs的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料合成、光電性能表征和機(jī)理分析等方面進(jìn)行了廣泛的研究。就膜電極而言，DSSCs的光電轉(zhuǎn)換性能取決

2、于膜電極的構(gòu)型和TiO2納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。特別是，具有特殊結(jié)構(gòu)的空心球(HS)能夠通過增加光程長度來增強(qiáng)光的吸收，促進(jìn)電解質(zhì)的擴(kuò)散，從而在DSSCs中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。此外，由于在促進(jìn)電子快速傳輸，增強(qiáng)光散射和大的比表面積等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，TiO2納米管在DSSCs中也具有重要意義。在本論文中，圍繞納米顆粒和空心球雙層結(jié)構(gòu)膜電極的制備，管狀TiO2結(jié)構(gòu)的合成及其在DSSCs中的應(yīng)用等方面開展了如下工作：
　　 我們制備了由Ti

3、O2納米顆粒和空心球構(gòu)成的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)DSSCs，并研究了納米顆粒/納米顆粒(PP)，空心球/空心球(HH)，空心球/納米顆粒(HP)和納米顆粒/空心球(PH)四組雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)DSSCs的光電轉(zhuǎn)換性能，其光電轉(zhuǎn)換效率分別為4.33，4.72，4.93和5.28％。納米顆粒/空心球雙層復(fù)合膜太陽能電池增強(qiáng)的光電性能可以歸結(jié)為以下因素的共同作用。上層空心球膜層的光散射能力增強(qiáng)了DSSCs中光的捕獲，同時(shí)下層TiO2納米顆粒膜層確保膜電極與摻

4、氟的氧化錫(FTO)玻璃基體具有良好的電接觸。此外，TiO2空心球較大的比表面積有助于染料分子的擴(kuò)散，較大的孔體積有助于電解質(zhì)的傳輸。
　　 我們以鈦乙二醇棒作為自模板和前軀體在堿性條件下(0.1M NaOH)通過水熱方法成功制備了新型分等級(jí)鈦酸鹽管狀結(jié)構(gòu)。該管狀結(jié)構(gòu)由納米管和納米片組裝而成。合成的產(chǎn)物顯示出分等級(jí)結(jié)構(gòu)特征，具備兩種類型的管狀結(jié)構(gòu)。一種為沿著模板方向形成的大的管狀結(jié)構(gòu)，另一種為大的管狀結(jié)構(gòu)的外壁上生長的納米管結(jié)構(gòu)

5、。大的管狀結(jié)構(gòu)的形成是源于化學(xué)誘導(dǎo)自轉(zhuǎn)變機(jī)理或柯肯達(dá)爾效應(yīng)，而小的納米管的形成是源于鈦酸鹽納米片的卷曲所致。鈦酸鹽納米片的卷曲受到納米片的表面張力和H2O2催化兩者共同作用所致。由分等級(jí)管狀TiO2(HTT)上層和納米顆粒(NP)下層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)DSSCs顯示出增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率，其效率為6.2％，同時(shí)短路電流Isc為14.1 mAcm-2，開路電壓Voc為736mV，填充因子ff為0.6。這種合成管狀結(jié)構(gòu)的方法在制備其它新型大孔/介