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硼和硼氮共掺杂二氧化钛的光电性质研究

作　者: 李亮
导　师: 杨玉林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 无机化学
关键词: 二氧化钛染料敏化太阳能电池光催化硼掺杂硼氮共掺杂
分类号: O611.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

能源问题与环境问题是目前以至未来较长一段时间影响人类社会发展的重要问题。发展新能源与治理环境已经成为人们迫切需要解决的重大课题,而太阳能光化学成为了解决能源与环境问题的最有前景的解决途径之一。本课题以二氧化钛的改性为出发点,通过钛酸四丁酯直接水解与水热处理两步反应法制备出硼掺杂纳米二氧化钛粉体。发现硼掺杂的引入形成Ti-O-B结构,有利于改善粉体光电性能,并且,随着掺杂含量的增加,粉体的光电性能有所提升。通过XRD、SEM/TEM、XPS、FT-IR以及UV-vis对全系列硼掺杂二氧化钛粉体进行表征与测试。并将硼掺杂二氧化钛粉体组装成染料敏化太阳能电池,优化了光阳极的涂膜厚度。实验结果表明,硼元素掺杂以Ti-O-B键和B-O-B键形式存在,随着掺杂含量的增加,电池的短路光电流增大,开路光电压减小;相对于空白二氧化钛制备的DSSC电池2.00%的转换效率,硼掺杂二氧化钛组装的电池效率普遍提高,最高达2.39%。与此同时采用罗丹明B(RhB)降解反应作为探针反应,测试了硼掺杂二氧化钛粉体的光催化性能,发现硼掺杂可以增强二氧化钛粉体的光催化活性,光催化速率最高达到了空白二氧化钛粉体的2倍。本实验结合文献确认了通过氮掺杂可以窄化二氧化钛粉体带隙宽度,拓展吸收频段(产生可见光吸收带)。且硼元素与氮元素有较好的配伍性,不会产生互相抑制的效果。因此采用实验室自行设计的气相强制掺氮反应仪器对硼掺杂二氧化钛粉体进行气相强制掺氮,制备了硼氮共掺杂二氧化钛粉体。通过多种表征手段表征了硼氮共掺杂粉体的形貌、相组成、吸收光谱以及掺杂含量与状态等。实验结果表明随着反应温度的降低,反应压强(氨气分压)增大,反应时间增长,掺氮含量增加;反之,掺氮含量减小。随着Ti-O-B键形式存在的硼元素含量的增多,掺氮量增加,硼氮共掺杂二氧化钛粉体组装的DSSC电池的光电性能大幅增加,转换效率普遍达到3.00%以上,最高达4.04%。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-26
  1.1 太阳能源及其应用  9-14
    1.1.1 太阳能光伏技术及其应用  10-12
    1.1.2 光催化技术及其应用  12-14
  1.2 染料敏化太阳能电池介绍及研究进展  14-19
    1.2.1 染料敏化纳米晶太阳能电池（DSSC）介绍  14-15
    1.2.2 染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的研究现状  15-16
    1.2.3 染料敏化纳米晶太阳能电池染料的研究现状  16-18
    1.2.4 染料敏化纳米晶太阳能电池电解质的研究现状  18-19
    1.2.5 染料敏化纳米晶太阳能电池对电极的研究现状  19
  1.3 纳米二氧化钛的制备及其改性方法概述  19-24
    1.3.1 纳米二氧化钛制备的物理方法  20
    1.3.2 纳米二氧化钛制备的化学方法  20-22
    1.3.3 纳米二氧化钛改性方法  22-24
  1.4 选题的目的与意义及主要研究内容  24-26
第2章实验条件与方法  26-36
  2.1 实验仪器与药品  26-27
  2.2 实验材料  27
  2.3 改性纳米TiO_2 粉体的制备方法  27-32
    2.3.1 纳米TiO_2 粉体的制备方法  27-28
    2.3.2 硼掺杂二氧化钛粉体的制备方法及工艺优化  28-30
    2.3.3 硼氮共掺杂二氧化钛粉体的制备方法与工艺优化  30-32
  2.4 染料敏化太阳能电池的组装  32-33
    2.4.1 导电玻璃基底的清洁  32
    2.4.2 染料敏化太阳能电池光阳极的制备  32
    2.4.3 染料敏化太阳能电池光阳极的敏化  32
    2.4.4 染料敏化太阳能电池对电极的制备  32-33
    2.4.5 染料敏化太阳能电池电解液的制备  33
    2.4.6 染料敏化太阳能电池的封装  33
  2.5 主要表征与测试方法  33-36
    2.5.1 X-射线粉末衍射（XRD）  33
    2.5.2 扫描电子显微镜  33
    2.5.3 X 射线光电子能谱  33-34
    2.5.4 紫外-可见吸收光谱  34
    2.5.5 红外吸收光谱  34
    2.5.6 染料敏化太阳能电池的光电性能测试  34-35
    2.5.7 改性纳米晶TiO_2 的光催化性能测试  35-36
第3章硼掺杂二氧化钛粉体的制备和光电性能  36-45
  3.1 硼掺杂二氧化钛粉体的结构表征  36-41
    3.1.1 硼掺杂二氧化钛的XRD 测试  36-37
    3.1.2 硼掺杂二氧化钛粉体的形貌观察  37
    3.1.3 硼掺杂二氧化钛粉体的X 射线光电子能谱分析（XPS）  37-39
    3.1.4 硼掺杂二氧化钛粉体红外吸收光谱分析（FT-IR）  39-40
    3.1.5 硼掺杂二氧化钛粉体紫外-可见吸收光谱分析（UV-vis）  40-41
  3.2 硼掺杂二氧化钛粉体太阳能电池的性能测试  41-43
    3.2.1 组装染料敏化太阳能电池的光电性能  41
    3.2.2 硼掺杂含量对电池性能的影响  41-42
    3.2.3 涂膜厚度对电池性能的影响  42-43
  3.3 硼掺杂二氧化钛粉体的光催化性能测试  43-44
  3.4 本章小结  44-45
第4章硼氮共掺杂二氧化钛粉体的制备和光电性能  45-56
  4.1 硼氮共掺杂二氧化钛粉体的结构表征  45-52
    4.1.1 硼氮共掺杂二氧化钛的XRD 测试  45-47
    4.1.2 硼氮共掺杂二氧化钛粉体的形貌观察  47
    4.1.3 硼氮共掺杂二氧化钛粉体的X 射线光电子能谱分析（XPS）  47-50
    4.1.4 硼氮共掺杂二氧化钛粉体红外吸收光谱分析（FT-IR）  50
    4.1.5 硼氮共掺杂二氧化钛粉体紫外-可见吸收光谱分析（UV-vis）  50-52
  4.2 硼氮共掺杂二氧化钛粉体太阳能电池的性能测试  52-54
  4.3 本章小结  54-56
结论  56-57
参考文献  57-62
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  62-64
致谢  64

硼和硼氮共掺杂二氧化钛的光电性质研究

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