Y型TiO2納米管在染料敏化太陽電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、伴隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量越來越大。而傳統(tǒng)能源的日益枯竭促使人們?cè)絹碓疥P(guān)注新能源的開發(fā)與利用。太陽能作為一種環(huán)境友好、用之不盡取之不竭的新能源，是最有前途的能源之一。繼傳統(tǒng)硅太陽電池之后，染料敏化太陽電池以其低廉的成本和簡(jiǎn)單的制作工藝，為人類有效地利用太陽能提供了新的途徑。TiO2光陽極是染料敏化太陽能電池的關(guān)鍵部分，具有吸附染料分子，分離電荷以及傳輸光生載流子的功能，其性能直接關(guān)系到太陽電池的總效率，在染料敏化太陽電池的

2、應(yīng)用中起到至關(guān)重要的作用。因此，開發(fā)出高效的光陽極組件是該領(lǐng)域迫切需要解決的熱點(diǎn)問題之一。
　　TiO2是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.2 eV，其新型納米結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光材料、自旋電子學(xué)、光催化劑以及染料敏化太陽電池等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。TiO2納米晶薄膜是染料敏化太陽電池中最常用也是研究最多的電極材料之一，它是由TiO2晶粒相互連接、貫通組成的三維網(wǎng)狀空隙結(jié)構(gòu)，由顆粒與顆粒之間的相互連接來保證電子的傳輸，

3、但是這種連接是隨機(jī)的、松散的而且可能存在斷點(diǎn)，這就極大地影響了電子在TiO2納米晶薄膜中的傳輸過程。而TiO2納米管薄膜是一種在鈦金屬表面合成的致密有序的納米多孔材料，陣列中的管道結(jié)構(gòu)為光生電子提供了傳輸?shù)母咚偻ǖ?，有利于提高電子的遷移率，在染料敏化太陽電池的陽極應(yīng)用方面具有很好的發(fā)展前景。當(dāng)前，制備的TiO2納米管形貌多為直線型，相關(guān)研究主要集中在納米管管長(zhǎng)、管徑、管壁厚度的有效控制，以及提高TiO2納米管陣列的表面形貌質(zhì)量等方面。隨

4、著制備方法和制備工藝的不同，TiO2納米管的外在形貌也在朝著多維結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，如兩分叉（Y型）、三分叉以及多層分叉的TiO2納米管陣列等?；谀壳癟iO2納米管的成熟技術(shù)，并結(jié)合染料敏化太陽電池的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，本論文從以下幾個(gè)方面開展研究:
　　1.在兩步陽極氧化法的基礎(chǔ)上，考察了生長(zhǎng)工藝參數(shù)（電解液的組成、溫度、氧化電壓、氧化時(shí)間等）和晶化處理等對(duì)TiO2納米管陣列的影響。同時(shí)，總結(jié)出一組制備直線型TiO2納米管陣列材料的最

5、佳工藝參數(shù)。為開展Y型TiO2納米管的研究工作奠定了基礎(chǔ)。
　　2.系統(tǒng)地研究了電解液溫度對(duì)Y型TiO2納米管陣列形貌的影響，討論了升溫法制備Y型TiO2納米管的內(nèi)在機(jī)理，并在較寬的溫度范圍內(nèi)(20℃～30℃，40℃，50℃，60℃)，分別制備出四種Y型TiO2納米管陣列。當(dāng)電解液溫度設(shè)置在40℃以上時(shí)，TiO2納米管陣列頂部將發(fā)生過度溶解，出現(xiàn)環(huán)狀納米線、管壁破裂以及管長(zhǎng)減小等現(xiàn)象，從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，不利于保證Y型TiO2納

6、米管的整體質(zhì)量。因此，將制備溫度控制在20℃～40℃范圍內(nèi)，可以得到較為理想的Y型TiO2納米管陣列。同時(shí)，升溫措施還有利于改善TiO2納米管內(nèi)部的V型結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大下層管徑空間，從而提高Y型TiO2納米管陣列的比表面積。
　　3.采用陽極氧化降壓法成功地合成了Y型TiO2納米管陣列，與升溫法制備的樣品相比，這種TiO2納米管陣列具有表面形貌高度規(guī)整，Y型納米管占有率高等特點(diǎn)。同時(shí)，本文也對(duì)改變氧化電壓形成Y型TiO2納米管

7、的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了討論，并通過進(jìn)一步擴(kuò)大降壓范圍(34 V～20 V)和兩次降壓的方式(38 V～28 V～20 V)分別制備出了三分叉TiO2納米管陣列和兩代Y型TiO2納米管陣列。進(jìn)一步拓展了TiO2納米管結(jié)構(gòu)上的多樣性。
　　4.采用陽極氧化降壓法制備出Y型TiO2納米管陣列，并通過溶液剝離、白紙?zhí)崛?、多步退火以及TiO2納米晶漿料配制等工藝，組裝成染料敏化Y型TiO2納米管太陽電池，再利用相同的封裝方式制備出染料敏化直線型T