TiO2納米管的制備、改性及其在太陽能電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著科技的飛速發(fā)展和化石能源的日益枯竭，人類迫切需要一種可再生的清潔能源替代傳統(tǒng)石化燃料來解決世界能源危機問題。太陽能作為一種可再生能源，取之不盡，用之不竭，是緩解當(dāng)前能源危機的首選之一。長期以來，發(fā)展最成熟的硅系太陽能電池由于制作成本居高不下、供電系統(tǒng)的投資回報周期較長，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模推廣和實際應(yīng)用的要求。染料敏化TiO2納米晶太陽能電池(DSSCs)具有制備方法簡單、成本低、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點，為解決當(dāng)前能源危機開辟了新的思路。然而

2、，傳統(tǒng)TiO2半導(dǎo)體納米晶薄膜光陽極制備過程較為繁瑣，薄膜孔徑不均勻，納米顆粒無序性地相互聚集，導(dǎo)致電子-空穴重新復(fù)合的幾率增大，限制了電池光電轉(zhuǎn)換效率的進一步提高。尋找一種新型有序微結(jié)構(gòu)的納米晶半導(dǎo)體以替代無規(guī)則納米晶半導(dǎo)體光電池陽極已成為太陽能電池的一個重要研究方向。與其它形態(tài)的TiO2相比，陽極氧化法制備的高度有序的TiO2納米管陣列具有更大的比表面積和更強的吸附能力，有序垂直生長在鈦金屬基底，可為光生電荷提供有效傳導(dǎo)通道，可望提

3、高TiO2的光電轉(zhuǎn)換效率，因而成為光電池陽極材料研究的熱點。然而TiO2納米管陣列也存在固有缺陷，成為其實際應(yīng)用的“瓶頸”。一方面，TiO2是屬于寬禁帶半導(dǎo)體，光吸收主要在紫外區(qū)，對大部分可見光不能進行有效地吸收和利用，太陽能利用率低；另一方面，TiO2納米管的光生電子與空穴容易復(fù)合而表現(xiàn)出較低的光量子效率，這也在很大程度上限制了單一TiO2納米管的應(yīng)用。因此，對TiO2納米管進行摻雜與改性制成復(fù)合納米材料，可以大大改善TiO2納米管的

4、光電轉(zhuǎn)化效率。
　　 基于上述考慮出發(fā)，本課題采用電化學(xué)陽極氧化法在純金屬鈦片基底上制備出高度有序TiO2納米管陣列薄膜，考察了制備工藝參數(shù)(包括陽極氧化電壓、氧化時間、電解液種類及組分)和熱處理溫度對TiO2納米管陣列薄膜形貌尺寸及晶型結(jié)構(gòu)的影響，并將TiO2納米管陣列薄膜作為染料敏化太陽能電池光陽極材料，分別以稀土元素、熒光粉、半導(dǎo)體量子點CdSe、CdTe與自制Pt對電極組裝成太陽能電池，在模擬太陽光(100 mW·cm-

5、2)的照射下，利用電化學(xué)工作站對敏化電池的光電性能進行了研究。
　　 研究結(jié)果表明：陽極氧化電壓是TiO2納米管陣列形貌的最主要的影響因素，納米管管徑大小在一定電壓范圍內(nèi)隨著電壓的升高逐漸增大。當(dāng)陽極氧化電壓為45 V，氧化時間20 h，在0.5%H2O+0.25wt%NH4F乙二醇電解液中，納米管陣列管壁更光滑，管徑約為120 nm，管長超過20μm，若在5.0%H2O+0.25wt%NH4F丙三醇體系同樣條件下得到長徑比更低

6、、管壁呈“竹節(jié)狀”的管徑約為130 nm，管長度達(dá)1.65μm的TiO2納米管陣列，兩種電解液體系形成的TiO2納米管陣列經(jīng)450℃熱處理3h后均具有銳鈦礦相單一晶型結(jié)構(gòu)，但丙三醇體系的TiO2納米管陣列膜與鈦片基底結(jié)合更緊密不易卷曲脫落，更有利于光陽極制備。
　　 通過對TiO2納米管陣列進行稀土摻雜改性發(fā)現(xiàn)，摻雜Gd，La和Y使TiO2納米管的吸收邊帶在產(chǎn)生紅移，并且在一定范圍內(nèi)隨著摻雜濃度的增加，其紫外吸收光譜在紫外區(qū)的吸

7、收明顯增加，光電效率大大增加。但經(jīng)La摻雜后TiO2納米管的填充因子較小，影響光的利用率。稀土摻雜中，以1%的Y元素?fù)诫s對TiO2納米管光電效率增加最大。Y3+摻雜后染料敏化TiO2納米管太陽能電池的光電效率增加了近3.2倍，大大改善了光電效率。
　　 通過TiO2納米管陣列與紅色和白色熒光粉的復(fù)合，在組裝的DSSCs的光電性能測試中發(fā)現(xiàn)摻雜熒光粉后的TiO2納米管DSSCs光電轉(zhuǎn)換效率較未摻雜的明顯提高，實驗結(jié)果表明摻雜紅色熒

8、光粉的效果比白色熒光粉(Sr0.95BPO5：Eu2+0.04，Mn2+0.01)的效果好。其中效果最好的為摻雜Gd1.96O3：Eu0.04的熒光粉的DSSCs，其光電轉(zhuǎn)換效率從1.34%提高到2.80%，同時光電流密度也從3.83mA·cm-2提高到6.18 mA·cm-2。對不同摻雜量的Gd1.96O3：Eu0.04的DSSCs進行考察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻雜量分別為3%時，光電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到2.90%。
　　 利用窄禁帶半導(dǎo)體Cd

9、Se、CdTe量子點修飾TiO2納米管陣列薄膜，光電極光譜響應(yīng)范圍明顯拓寬至可見光區(qū)域。采用DA方式組裝CdSe量子點敏化納米管陣列光電極光電流密度達(dá)到1.396 mA·cm-2和光電轉(zhuǎn)換效率為0.56%。不同尺寸的CdSe共敏化納米管陣列電極，在模擬太陽光照射下測試其光電流密度達(dá)到7.560 mA·cm-2，光電轉(zhuǎn)換效率為3.75%，為CdSe納米晶單一敏化TiO2納米管陣列電極光電效率的五倍多，因為半導(dǎo)體納米晶共敏化增強了光陽極材料