結構調制的多功能二氧化鈦納米管及其在染料敏化太陽能電池中的應用.pdf

1、二氧化鈦納米材料是當今使用最普遍的一種半導體材料，由于納米結構具有多樣性，在很多的應用方面都發(fā)揮著重要作用。尤其是在當今社會，能源短缺日益加劇，環(huán)境保護又刻不容緩，有關擁有清潔、可再生優(yōu)勢的太陽能電池的研究備受關注。染料敏化太陽能電池（dye-sensitised solar cells，DSSCs）在諸多種類中相對來說，成本低廉，制備又不復雜，隨著第三代太陽能電池發(fā)展至今，已經取得了豐富的研究成果。光陽極結構一向是染料敏化電池中重要的

2、組成部分，而TiO2是這一部分選材的首選，所以其一直受到人們的關注，也在不斷地發(fā)展與創(chuàng)新。
　　TiO2納米材料在DSSCs中，主要作為吸附染料敏化分子的載體，進而將光生電子傳輸給外電路。由于納米管等一維納米結構相比于納米顆粒結構在電子傳輸等性能方面有著非常明顯的優(yōu)勢，所以作為研究最廣泛的光陽極材料，這種一維結構因其優(yōu)秀的特性而備受關注。有關 DSSCs中光陽極的科研工作，主要是探討以下幾方面：（1）、制備具有更大比表面積的光陽極

3、結構、（2）、提升電子在半導體材料中的傳輸效率以及（3）、提高染料對光的捕獲等幾個重點研究方向。本論文的主要工作是圍繞TiO2納米管(NT)材料的結構進行調制，在獲得高性能的染料敏化電池的同時，研究發(fā)現NT的多功能性。詳細的研究內容主要如下：
　　1) NT在染料吸附量上相比于納米顆粒有很大的缺陷，針對這一缺點，我們希望制備出具有大比表面積的更小管徑的管子，利用水浴法升高陽極氧化反應的溫度，可以獲得管長長度達16μm、管徑75 n

4、m的高比表面積的納米管薄膜。大長徑比的二氧化鈦納米管薄膜的成功制備，為其在DSSCs的光陽極結構中的工作狀態(tài)增加了很多優(yōu)勢，由于染料吸附量的顯明升高，無論是電池的效率，還有電池性能，都有了大幅度的改善和提高。
　　2)小管徑納米管薄膜由于其晶粒較小，更易受到基底效應的影響而在正常退火溫度下產生金紅石結晶態(tài)，這對 DSSCs各方面的性能表現都會產生負面作用。所以為制備出具有純銳鈦礦晶型的小管徑的管子，采用了低溫退火后自剝離的方法。利

5、用這種方法不僅可以保持納米管薄膜的形貌不受破壞，同時還不引入基底效應的影響進而避免了金紅石晶型的產生。最后通過實驗對比可發(fā)現，小管徑 TiO2納米管，如果其為純銳鈦礦晶型，那么相比于含有金紅石晶型的，在電池的效率及電子傳輸性能方面都更為優(yōu)秀。
　　3)為提高染料敏化電池的效率，合理的利用光散射層可以起到十分有利和顯著的作用。利用大電壓制備的接近可見光波長的大管徑納米管陣列作為光散射層，其散射作用相比于普通管徑的納米管陣列，有著明顯

6、的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?。在SEM分析了大管徑納米管薄膜的形貌后，將其作為光散射層，添加在DSSCs的光陽極上表面上，與無散射層、普通納米管做散射層等結構進行了性能上的比較和分析，通過模擬和實驗等多種角度證明了對于二氧化鈦納米管薄膜擁有這樣的大管徑確實具有非常優(yōu)秀的散射作用。
　　4)基于前期的實驗工作，結合大管徑的散射優(yōu)勢，合成出雙層TiO2納米管薄膜，其上下兩層的管徑、管長均不同。利用其高溫退火后的薄膜與納米顆粒層的疊加組合，構成多層