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TiO_2基光阳极的改性及光电性能研究

作　者: 赵佳宁
导　师: 杨玉林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 无机化学
关键词: 染料敏化太阳能电池 纳米TiO2多孔薄膜电极 复合光阳极 光电转化效率
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 71次
引　用: 2次
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内容摘要


能源问题已经成为影响人类生存与发展的严重问题。因此发展新能源及新能源材料是人类进入21世纪亟待解决的重大课题。染料敏化太阳能电池由于其廉价的成本,简单的制作方法和潜在的光电转化效率,成为太阳能开发和利用的有效途径。纳米TiO2多孔薄膜电极是染料敏化太阳能电池的重要组成部分,研究光阳极材料和光阳极微观结构是染料敏化太阳能电池的研究热点之一。本文主要研究光阳极材料,制备出N掺杂TiO2多孔薄膜电极,与P25薄膜电极对比研究N掺杂TiO2薄膜电极的光电性能及阻抗性能;通过表面修饰的方法,改性P25光阳极与未经表面修饰的P25光阳极对比研究表面修饰对染料敏化太阳能电池光电性能的影响;通过不同粒径的TiO2粉体复合制备TiO2复合光阳极,与P25薄膜电极对比研究其光电性能。通过高温空气中氧化TiN的方法,制备了具有金红石和锐钛矿混合相的N掺杂TiO2。通过XRD、SEM、XPS、UV-vis、光电性能测试、交流阻抗等测试手段,对N掺杂TiO2进行结构和性能表征。结果表明:经550℃高温氧化TiN薄膜30 min时,所制得的N掺杂TiO2光阳极的电池性能要优于同等条件下制备的P25薄膜的性能。交流阻抗（EIS）分析表明:N掺杂TiO2薄膜太阳能电池的光生电子在N掺杂TiO2薄膜/电解液界面之间的电阻比P25薄膜/电解液界面的阻抗小,从而利于电子的有效传输,抑制了电子与空穴的复合,最终提高了电池的光电转化效率。采用钛酸四丁酯对P25薄膜进行表面修饰,改善薄膜的微观结构,从而改善膜层内光生电子的传输路径及速度,达到提高光电转化效率的目的。且研究发现钛酸四丁酯表面修饰液的改善能力高于传统四氯化钛修饰液的改善能力。通过粒径为20 nm的P25粉体和粒径为100 nm的TiO2粉体复合制备光阳极,控制两种粒径的质量比,以调节纳米多孔薄膜的孔径大小,提高入射光的吸收率,达到提高光电转化效率的目的。研究结果发现当20 nmP25:100 nmTiO2的质量比为75%:25%时,所制备的复合光阳极的光电转化效率最高,光电性能参数为:短路光电流密度为6.50 mA·cm-2,开路光电压为699 mV,填充因子为0.69,光电转化效率为3.13%。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-20
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 染料敏化纳米晶太阳能电池  9-12
    1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构  9
    1.2.2 染料敏化太阳能电池工作原理  9-10
    1.2.3 评价染料敏化太阳能电池的性能指标  10-12
  1.3 染料敏化太阳能电池的相关研究进展  12-15
    1.3.1 纳米晶光阳极及研究进展  12-13
    1.3.2 染料敏化剂及研究进展  13-14
    1.3.3 电解质及研究进展  14
    1.3.4 对阴极及研究进展  14-15
  1.4 纳米Ti0_2的制备方法  15-16
    1.4.1 水热法  15
    1.4.2 溶胶凝胶法  15
    1.4.3 电化学沉积法  15-16
    1.4.4 磁控溅射法  16
  1.5 Ti0_2基光阳极的改性  16-19
    1.5.1 离子掺杂  16
    1.5.2 表面修饰  16
    1.5.3 复合结构光阳极  16-19
  1.6 课题研究内容及目的意义  19-20
第2章 实验药品及表征方法  20-24
  2.1 实验药品与仪器  20-21
    2.1.1 实验药品  20
    2.1.2 实验仪器  20-21
  2.2 表征测试方法  21-24
    2.2.1 扫描电子显微镜  21
    2.2.2 X-射线粉末衍射  21-22
    2.2.3 紫外-可见光谱分析  22
    2.2.4 X射线光电子能谱  22-23
    2.2.5 电池光电性能测试  23
    2.2.6 交流阻抗性能测试  23-24
第3章 Ti0_2/TiN复合光阳极的制备及性能研究  24-38
  3.1 空气中高温氧化TiN薄膜制备N掺杂Ti0_2光阳极  24-32
    3.1.1 实验条件优化  24-26
    3.1.2 空气中氧化TiN薄膜实验结果与讨论  26-32
  3.2 Ti0_2/TiN复合光阳极的制备  32-34
    3.2.1 Ti0_2/TiN复合光阳极制备的实验条件  32-33
    3.2.2 Ti0_2/TiN复合光阳极制备的实验结果与讨论  33-34
  3.3 纳米TiN敏化Ti0_2光阳极的制备及光电性能  34-36
    3.3.1 纳米TiN敏化Ti0_2光阳极的实验条件  34-35
    3.3.2 纳米TiN敏化P25 光阳极的实验结果与讨论  35-36
  3.4 本章小结  36-38
第4章 光阳极的表面修饰及不同粒径复合光阳极  38-51
  4.1 Ti0_2光阳极的表面修饰  38-42
    4.1.1 光阳极表面修饰实验条件  38-39
    4.1.2 光阳极表面修饰实验结果与讨论  39-42
  4.2 不同尺寸纳米Ti0_2混合制备光阳极及光电性能  42-49
    4.2.1 不同粒径复合光阳极制备实验条件  42-43
    4.2.2 不同粒径复合光阳极实验结果与讨论  43-49
  4.3 本章小结  49-51
结论  51-52
参考文献  52-59
致谢  59

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 光电池 > 太阳能电池
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