低維納米材料的合成及在全金屬襯底染料敏化太陽電池中的應用研究.pdf

1、近年來，染料敏化太陽電池(Dye-sensitized solar cells，DSSCs)因相對傳統(tǒng)硅電池具有成本低，工藝過程簡單并有較高的轉換效率等優(yōu)點而成為科學研究的熱點。傳統(tǒng)DSSCs以導電玻璃為襯底，并在上面鍍上一層多孔納米晶顆粒薄膜作為光陽極。在光陽極中，染料敏化劑產生的電子在納米晶TiO2薄膜顆粒之間傳輸時因顆粒之間存在晶界及顆粒排列不規(guī)則等缺陷而存在著大量的復合損失。一維納米材料如納米線、納米管等，能夠給激發(fā)的電子提供快

2、速傳輸的通道和減少晶界缺陷進而減小電子復合損失。因此，研究一維納米材料的合成及研究其在DSSCs中的應用具有重要的意義。此外，DSSCs在產業(yè)化進程中面臨著一個巨大挑戰(zhàn)，由于導電玻璃的面電阻太大造成電子的收集效率過低，難以制備高效大面積的電池或組件。在DSSCs結構中采用全鈦金屬襯底設計，不但可以減小電池的內阻而且還可以原位生長低維納米材料制備柔性電池，這對今后實現(xiàn)制作大面積DSSCs和拓寬其應用范圍具有十分重要的意義。
　　

3、本文在研究制備低維納米材料工藝的基礎上，結合全金屬襯底和原位生長低維納米材料的優(yōu)點，設計了低維納米材料基全金屬襯底DSSCs器件。和傳統(tǒng)DSSCs比較，這些器件具有高效收集電子和高效吸光的能力，而且光陽極優(yōu)良的力學性能有利于將器件制備成柔性DSSCs。
　　 ⑴與傳統(tǒng)導電玻璃基DSSCs相比，本論文提出的全金屬襯底DSSCs在太陽光的利用和降低DSSCs內阻上具有明顯的優(yōu)勢。為了研究TiO2不同薄膜厚度對全金屬襯底DSSCs性能

4、的影響，我們采用溶膠-凝膠結合提拉鍍膜法獲得了不同厚度的光陽極，通過優(yōu)化薄膜厚度參數，獲得全鈦基底DSSCs最優(yōu)光電轉換效率為5.46％。
　　 ⑵利用激光灌孔技術制備了具有傾斜微孔陣列的光陽極，并在此基礎上制備了前輻照納米管基DSSCs。該器件獲得了4.1％的轉換效率，與相同制備工藝條件的背輻照納米管DSSCs相比，其光電轉換效率提高了32.3％。傾斜微孔陣列電極實現(xiàn)了多種功能：給電解液提供擴散通道，作為光陷阱結構，提供更大的

5、表面積并吸附更多染料；增大了TiO2納米管和鈦基底的附著力。結果表明，微孔陣列通過其粗糙面將納米管薄膜和基底牢固地結合在一起，其優(yōu)良的力學性能有利于今后制備柔性DSSCs。
　　 ⑶研究了用堿溶液水熱法制備包括納米片、納米花、納米線等低維納米材料并提出了它們生長演變的過程和機理。同時也研究了這些低維納米結構的光學性能。
　　 ⑷制備了三維網狀結構TiO2納米線基的高度柔性全金屬DSSCs。TiO2納米線直接生長于微孔陣列

6、電極上，制備的納米線直徑約為20-30 nm，長度在5-6μm。在器件彎曲角度達120°時，該器件顯示了良好的力學穩(wěn)定性而且其光伏性能受彎曲角度變化的影響也很小。
　　 ⑸將TiO2納米線應用到全金屬立體吸光DSSCs中，納米線薄膜顯示了良好的力學性能。研究表明納米線的網狀結構有利于染料吸附和電解液傳輸，具有提高電池效率的潛力。同時將溶膠-凝膠工藝和水熱工藝相結合，制備了TiO2納米線/TiO2納米顆粒雙層復合膜。納米線在雙層復