本文關(guān)鍵詞：基于TiO_2光陽(yáng)極染料敏化太陽(yáng)能電池的制備與性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,傳統(tǒng)能源逐漸枯竭,能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國(guó)面臨的共同問(wèn)題,研發(fā)可再生清潔能源是解決能源與環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源,利用太陽(yáng)能的有效方式之一是研發(fā)太陽(yáng)能光伏電池,如何構(gòu)建高效的太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)過(guò)程中的核心問(wèn)題。新興第三代電池中的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)相比于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池,具有制備工藝簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化效率高、成本較低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。但是,目前的DSSCs轉(zhuǎn)換效率仍無(wú)法達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的要求,因此必須對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。TiO2光陽(yáng)極作為DSSCs的核心部分,是決定電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。采用多樣化的制備技術(shù)以及摻雜、復(fù)合等方法以提高Ti02光陽(yáng)極對(duì)太陽(yáng)光的有效利用率,提高光電轉(zhuǎn)換效率是目前DSSCs重要的研究課題,具有重要的理論意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)采用簡(jiǎn)單可控的水熱法合成了CdS量子點(diǎn)(QDs)敏化銳鈦礦Ti02分級(jí)納米結(jié)構(gòu)。對(duì)Ti02表面以硫代乳酸處理,為Cd2+提供生長(zhǎng)位點(diǎn),并通過(guò)調(diào)節(jié)硫代乳酸的濃度控制CdS QDs的尺寸大小。結(jié)果表明CdS QDs/TiO2分級(jí)異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的光吸收表現(xiàn)出明顯的從紫外光區(qū)域到可見(jiàn)光區(qū)域的紅移�；�7.6nm的CdS QDs/TiO2分級(jí)異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的DSSCs展現(xiàn)出6.09 mA cm-2的短路電流密度和3.06%的光電轉(zhuǎn)換效率,優(yōu)于純TiO2分級(jí)結(jié)構(gòu)材料的電池性能。電池性能提高歸因于CdS QDs/TiO2分級(jí)異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)獨(dú)特的微觀形貌,CdS與TiO2兩者的能帶匹配能夠促進(jìn)光生空穴-電子對(duì)的分離。(2)以十六胺為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑和水合肼為氮源,通過(guò)溶膠-凝膠法和水熱法相結(jié)合的方法制備了氮摻雜銳鈦礦TiO2/CuxO核／殼介孔異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在標(biāo)準(zhǔn)模擬太陽(yáng)光照射下,基于銳鈦礦TiO2/CuO核／殼介孔結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極的DSSCs顯示出9.60 mA cm-2的短路電流密度和3.86%的光電轉(zhuǎn)換效率。所形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的CuxO和Ti02間的帶隙匹配可以有效誘導(dǎo)光生電子和空穴的分離,提高電子注入效率。相比于未摻雜TiO2/CuxO核／殼介孔結(jié)構(gòu)材料,基于氮摻雜銳鈦礦TiO2/CuxO核／殼介孔結(jié)構(gòu)的DSSCs顯示出較高的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率,分別達(dá)到13.24 mA cm-2口4.57%。這是由于氮摻入TiO2晶格中可使材料光吸收范圍從紫外擴(kuò)展到可見(jiàn)光區(qū)域,并且異質(zhì)結(jié)的形成有效地抑制了電子-空穴對(duì)再?gòu)?fù)合的幾率。(3)采用簡(jiǎn)單的水熱方法,通過(guò)調(diào)整前驅(qū)物中Sr和Ti的摩爾比,制備了微觀形貌、相組成和比表面積可調(diào)、結(jié)構(gòu)新穎的SrTiO3/TiO2納米片異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。所合成的這種SrTiO3/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有大的比表面積和孔結(jié)構(gòu),因此能夠有效地增加染料的負(fù)載量,進(jìn)而提高光生載流子的數(shù)量。同時(shí),在SrTiO3/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間形成了這種獨(dú)特的能帶匹配結(jié)構(gòu),能夠有效地促進(jìn)光生載流子對(duì)的分離。通過(guò)光致發(fā)光光譜(PL)、電化學(xué)阻抗測(cè)試(EIS)、光電子轉(zhuǎn)換效率(IPCE)等測(cè)試結(jié)果表明,基于SrTiO3/TiO2納米片異質(zhì)結(jié)的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)的電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率降低,電子壽命延長(zhǎng)。相比于純Ti02納米片光陽(yáng)極的DSSCs,基于納米片異質(zhì)結(jié)的DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率和短路電流有了顯著的提高。電池獲得的最大短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到12.55 mA cm-2和7.42%。(4)通過(guò)簡(jiǎn)單溶膠-凝膠和水熱法設(shè)計(jì)制備了一種新穎的Au/TiO2納米空心球材料,Au納米顆粒均勻地嵌入在Ti02空心球內(nèi)。利用這種材料的增強(qiáng)入射光吸收能力、染料吸附能力與Ti02和Au納米顆粒間的局域表面等離子體共振(LSPR)效應(yīng)來(lái)提高電池的光電轉(zhuǎn)換性能。使用所制備的Au/TiO2納米空心球材料組裝成電池并測(cè)試其性能。紫外可見(jiàn)漫反射(DRS)和單色光入射效率(IPCE)結(jié)果表明,基于Au/TiO2復(fù)合材料的DSSCs展現(xiàn)出較高的入射光子吸收能力。短路電流-開(kāi)路電壓曲線(J-V)表明基于Au/TiO2復(fù)合材料的DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率高于純Ti02空心球DSSCs 的光電轉(zhuǎn)換效率。特別是,當(dāng)Au/TiO2質(zhì)量比為5%時(shí),電池展現(xiàn)出高達(dá)7.57%的光電轉(zhuǎn)換效率,比純Ti02空心球的提高了近39%。而且,光致發(fā)光(PL)光譜和電化學(xué)阻抗(EIS)譜證實(shí)了由Au和Ti02之間的電子與空穴的分離導(dǎo)致了光生電子壽命的延長(zhǎng)。充分發(fā)揮了Au修飾在提高DSSCs'性能中起到的等離子體增強(qiáng)效應(yīng),為今后設(shè)計(jì)和構(gòu)造性能優(yōu)異的DSSCs提供了一定的設(shè)計(jì)思路。(5)以制備的聚苯乙烯球光子晶體為模板,Ti02凝膠浸漬入模板制備3DTi02反蛋白石結(jié)構(gòu)薄膜,加入P123進(jìn)一步增大其比表面積。并采用氧化還原法和連續(xù)離子層吸附法相結(jié)合的方法制備了Au@TiO2反蛋白石結(jié)構(gòu)薄膜和CdS@Au@TiO2反蛋白石結(jié)構(gòu)薄膜,深入系統(tǒng)研究了各種薄膜材料作為光陽(yáng)極在DSSCs中的應(yīng)用和性能特征。研究表明,基十Ti02反蛋白石結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極的DSSCs的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率分別為9.18 mA cm-2和4.89%,Au修飾和CdS@Au修飾的光陽(yáng)極的DSSCs的短路電流密度分別為10.63和11.78 mAcm-2,光電轉(zhuǎn)換效率分別為5.57%和6.51%。光電性能的提高歸因于P123修飾3D Ti02反蛋白石結(jié)構(gòu)的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形貌和大比表面積,Au納米顆粒的等離子體表面增強(qiáng)效應(yīng),窄帶隙CdS加入使得光陽(yáng)極薄膜的光吸收范圍拓寬、電子空穴-電子對(duì)的復(fù)合得到有效抑制。
【關(guān)鍵詞】：TiO_2光陽(yáng)極 太陽(yáng)能電池 半導(dǎo)體帶隙 鈦酸鍶 等離子增強(qiáng)效應(yīng) TiO_2反蛋白石結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4;TQ134.11
【目錄】：

• 摘要11-14
• ABSTRACT14-18
• 第一章 緒論18-52
• 1.1 研究背景18-22
• 1.1.1 太陽(yáng)能電池發(fā)展歷史簡(jiǎn)介18-21
• 1.1.2 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)21-22
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)22-30
• 1.2.1 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)的基本結(jié)構(gòu)23-27
• 1.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)的工作原理27-28
• 1.2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)的光電性能參數(shù)28-30
• 1.3 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)光陽(yáng)極TiO_2薄膜的研究進(jìn)展30-49
• 1.3.1 TiO_2納米材料光陽(yáng)極薄膜32-36
• 1.3.2 表面修飾TiO_2光陽(yáng)極薄膜36-38
• 1.3.3 離子摻雜TiO_2光陽(yáng)極薄膜38-40
• 1.3.4 量子點(diǎn)修飾TiO_2光陽(yáng)極薄膜40-42
• 1.3.5 氧化物復(fù)合TiO_2光陽(yáng)極薄膜42-44
• 1.3.6 貴金屬修飾TiO_2光陽(yáng)極薄膜44-47
• 1.3.7 光子晶體光陽(yáng)極薄膜47-49
• 1.4 本文的意義及主要研究?jī)?nèi)容49-52
• 第二章 CdS量子點(diǎn)敏化銳鈦礦TiO_2分級(jí)結(jié)構(gòu)的光電性能研究52-72
• 2.1 引言52-53
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分53-56
• 2.2.1 TiO_2納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的制備53
• 2.2.2 CdS QDs修飾TiO_2納米分級(jí)結(jié)構(gòu)的制備53-54
• 2.2.3 太陽(yáng)能電池制備54-55
• 2.2.4 結(jié)構(gòu)表征55
• 2.2.5 電池性能表征55-56
• 2.3 結(jié)果分析與討論56-70
• 2.3.1 結(jié)構(gòu)與物相分析56-59
• 2.3.2 氮?dú)馕摳教匦苑治?/span>59-61
• 2.3.3 光學(xué)性能分析61-65
• 2.3.4 太陽(yáng)能電池性能分析65-70
• 2.4 本章小結(jié)70-72
• 第三章 氮摻雜TiO_2/Cu_xO核殼介孔結(jié)構(gòu)在高效染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用72-90
• 3.1 前言72-73
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分73-74
• 3.2.1 氮摻雜TiO_2/Cu_xO雜化核殼結(jié)構(gòu)的制備73-74
• 3.2.2 太陽(yáng)能電池組裝74
• 3.2.3 結(jié)構(gòu)表征74
• 3.2.4 電池性能表征74
• 3.3 結(jié)果分析與討論74-88
• 3.3.1 XRD分析74-75
• 3.3.2 XPS表征75-77
• 3.3.3 SEM分析77-78
• 3.3.4 TEM分析78-80
• 3.3.5 氮?dú)馕摳教匦苑治?/span>80-81
• 3.3.6 紫外-可見(jiàn)吸收(UV-vis)性能分析81-83
• 3.3.7 紫外可見(jiàn)漫反射(DRS)性能分析83-84
• 3.3.8 電化學(xué)交流阻抗(EIS)性能分析84-85
• 3.3.9 太陽(yáng)能電池性能(J-V曲線)分析85-87
• 3.3.10 太陽(yáng)能電池性能(IPCE曲線)分析87-88
• 3.4 本章小結(jié)88-90
• 第四章 可調(diào)控SrTiO_3/TiO_2異質(zhì)結(jié)納米材料的染料敏化太陽(yáng)能電池性能研究90-110
• 4.1 前言90-92
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分92-93
• 4.2.1 SrTiO_3/TiO_2異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的制備92
• 4.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的制作92
• 4.2.3 結(jié)構(gòu)與性能表征92-93
• 4.3 結(jié)果與討論93-109
• 4.3.1 XRD分析93-94
• 4.3.2 SEM分析94-95
• 4.3.3 TEM分析95-98
• 4.3.4 XPS表征98-99
• 4.3.5 BET結(jié)果分析99-101
• 4.3.6 光學(xué)性能分析101-102
• 4.3.7 電池性能分析102-107
• 4.3.8 機(jī)理分析107-109
• 4.4 本章小結(jié)109-110
• 第五章 等離子體增強(qiáng)納米介孔TiO_2空心球在DSSCs中的應(yīng)用和性能研究110-126
• 5.1 前言110-111
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分111-112
• 5.2.1 Au/TiO_2核殼空心球型結(jié)構(gòu)的制備111-112
• 5.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的制作112
• 5.2.3 結(jié)構(gòu)與性能表征112
• 5.3 結(jié)果與討論112-124
• 5.3.1 結(jié)構(gòu)性能表征112-117
• 5.3.2 光學(xué)性能分析117-119
• 5.3.3 電池性能分析119-123
• 5.3.4 機(jī)理分析123-124
• 5.4 本章小結(jié)124-126
• 第六章 基于CdS@Au@TiO_2 IOs的Z-scheme高效染料敏化太陽(yáng)能電池性能研究126-144
• 6.1 前言126-127
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分127-129
• 6.2.1 CdS@Au@TiO_2反蛋白石結(jié)構(gòu)材料的制備127-129
• 6.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的制作129
• 6.2.3 結(jié)構(gòu)與性能表征129
• 6.3 結(jié)果與討論129-142
• 6.3.1 XRD圖譜分析129-130
• 6.3.2 SEM分析130-133
• 6.3.3 TEM分析133-135
• 6.3.4 EDS分析135-136
• 6.3.5 光學(xué)性能分析136-138
• 6.3.6 電池性能分析138-140
• 6.3.7 機(jī)理分析140-142
• 6.4 本章小結(jié)142-144
• 第七章 結(jié)論與展望144-148
• 7.1 結(jié)論144-145
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)145
• 7.3 展望145-148
• 參考文獻(xiàn)148-170
• 致謝170-172
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文172-174
• 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目174
• 攻讀博士學(xué)位期間獲獎(jiǎng)情況174-175
• 附件175-202

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 李國(guó)輝;郝洪順;王輝利;高文元;劉貴山;;TiO_2/SrTiO_3薄膜電極制備及其光電化學(xué)性能研究[J];電子元件與材料;2015年01期

  本文關(guān)鍵詞：基于TiO_2光陽(yáng)極染料敏化太陽(yáng)能電池的制備與性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：347601