非晶態(tài)納米TiO2介孔薄膜的制備與光電轉(zhuǎn)換性能研究.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池（Dye-sensitized Solar Cell，DSC）具有較常規(guī)太陽(yáng)能電池成本更低且綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換新技術(shù)。DSC光電轉(zhuǎn)換效率雖然還不夠高，但由于其成本低廉，僅為單晶硅太陽(yáng)能電池的1/10，可以通過(guò)大面積使用來(lái)彌補(bǔ)其效率低的不足。因此，非常適合于與建筑相結(jié)合使用，如建筑外墻、屋頂、門窗、玻璃幕墻等，有望成為最有發(fā)展前途的大面積供電系統(tǒng)。
　　TiO2介孔薄膜是目前DSC使

2、用最為普遍的光電極材料，在DSC中作為染料的承載體，并起到光生電子接收體和傳輸體的作用，是決定DSC光電轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵組分部分。TiO2介孔薄膜要成為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和大面積使用的DSC光電極材料，還存在以下問(wèn)題：1）TiO2薄膜的制備方法還有待改善，需要一種工藝更簡(jiǎn)單、更易于控制的制備方法；2）TiO2薄膜光電極性能波動(dòng)性有待改善；3）TiO2薄膜光電極的光電轉(zhuǎn)換效率仍然有待提高。本論文嘗試采用非晶態(tài) TiO2介孔薄膜作為DSC光電極材料來(lái)

3、解決以上問(wèn)題。
　　采用四氫呋喃改性CTAB/水/正丁醇/環(huán)己烷反膠團(tuán)微乳液法在常壓、50～60℃下合成出尺寸20nm左右、高度分散的球形納米顆粒，將其膠體前驅(qū)液直接涂膜，通過(guò)干燥、燒結(jié)，成功制備出均勻的非晶態(tài)TiO2介孔薄膜。該制備方法由于無(wú)需控制 TiO2的晶體生長(zhǎng)過(guò)程，因而大大降低了TiO2納米顆粒的合成條件；由于從TiO2的膠體前驅(qū)液直接涂膜，在干燥和燒結(jié)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象，而得到由球形納米顆粒相互連接形成的均勻

4、TiO2介孔薄膜，因此大大簡(jiǎn)化了薄膜的制備工藝。
　　在相同條件下比較測(cè)試了非晶態(tài)TiO2介孔薄膜和納米晶銳鈦礦TiO2介孔薄膜的染料吸附量以及所組裝DSC的光電轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)，如短路光電流（Isc）、開(kāi)路光電壓（Voc）、填充因子（ff）和總光電轉(zhuǎn)換效率（η）。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)薄膜厚度在3～16μm范圍內(nèi)變化時(shí)，非晶態(tài) TiO2介孔薄膜的染料吸附量比納米晶銳鈦礦TiO2介孔薄膜少1.18～5.76×10-8mol/cm2，該差距隨

5、薄膜厚度的增加愈加明顯。但是，在染料吸附量小得多的情況下，非晶態(tài)TiO2介孔薄膜光電極卻能夠產(chǎn)生與納米晶銳鈦礦TiO2介孔薄膜光電極相當(dāng)?shù)腎sc，并得到更高的Voc和ff，從而使得其獲得較高的η。在相同條件下，非晶態(tài)TiO2介孔薄膜光電極的最大η為5.37％，納米晶銳鈦礦TiO2介孔薄膜光電極獲得的最大η為4.69％。
　　對(duì)比研究了非晶態(tài)TiO2介孔薄膜和納米晶銳鈦礦TiO2介孔薄膜的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)TiO2介孔薄

6、膜對(duì)可見(jiàn)光具有強(qiáng)散射效應(yīng)，而納米晶銳鈦礦TiO2介孔薄膜對(duì)可見(jiàn)光的散射較弱，這使得吸附了染料的非晶態(tài)TiO2薄膜光電極的光利用率高于吸附了染料的納米晶銳鈦礦TiO2薄膜光電極。此外，采用FTO導(dǎo)電玻璃作為與TiO2面接觸的兩極，測(cè)試了TiO2薄膜在光照下的電阻值R。發(fā)現(xiàn)在吸附染料的情況下，非晶態(tài)TiO2介孔薄膜的R值比納米晶銳鈦礦TiO2介孔薄膜的小一個(gè)數(shù)量級(jí)；在未吸附染料的情況下也得到同樣的結(jié)果。說(shuō)明電子在非晶態(tài)TiO2介孔薄膜中輸運(yùn)