TiO2/SiO2增光光阳极的制备及其在染料敏化太阳电池中的应用
染料敏化太阳电池(DSSC)，是由染料敏化的光阳极、氧化还原电解质和对电极组成的光电化学装置。由于它低成本，相对高的功率转换效率，易于制造和环境友好等优点，吸引了越来越多的关注。DSSC的光阳极可以看做是一辆运输由激发的染料分子注入的电子到外电路的“车辆”。因此，它可以显著的影响电池的光电流和光电压。目前DSSC的制造中，总是面临染料的不完全激发、光生电子和电解质的复合以及染料的降解等问题，从而导致不理想的开路电压Voc和短路电流密度Jsc。因此，提高DSSC电源转换效率的先决条件是要提高他们的Voc和Jsc。 在论文的第二章和第三章，我们展示提高染料激发、抑制电子和碘的复合、提高染料的稳定性的关键问题，是通过水热法合成的增光TiO2/SiO2光阳极到达其表面光强提高。然而，在高效率的DSSC中，较低的光电转换效率仍然是这个充满希望的TiO2/SiO2增光光阳极的巨大障碍。为了显著提高TiO2导带收集到的电子密度，从而提高光电转换效率，我们利用在水热过程中加入SiO2的方法，导致到达光阳极表面光强增加，降低电子的复合反应，同时提高染料的负载以及光稳定性。通过实验，我们已经证明，TiO2中掺杂SiO2是一种有效的提高染料的激发、抑制电子和电解质的复合反应、提高染料稳定性的策略。通过透光率测试分析可知，SiO2的加入使得到达TiO2表面的光产生干涉作用，使光强增强，提高染料的激发。由固体紫外漫反射测试可知，与纯TiO2相比，增光TiO2/SiO2的Eg增加，降低TiO2的光催化能力。由拉曼光谱和红外光谱可知，检测到Si-O-Ti键可用于支持无定形纳米SiO2粒子在水热过程中被溶解和重组的假设。进一步论证，SiO2掺杂TiO2晶格，为染料的吸附创造更多的活性位点。由电镜观察结果表明，SiO2的功能可以如下总结:(1)提升的纳米TiO2/SiO2增光光阳极晶体的传输，从而增加了染料的激发效率和电子注入;(2)覆盖TiO2表面，阻碍部分电子与电解液重组反应;(3)掺杂TiO2晶格，创造更多的活性位点以利于染料的吸附。TiO2中掺入SiO2有望从电解液中得到大量的电子。同时由于SiO2的加入，电子电解质的重组已非常明显的受到阻碍。相比较纯TiO2光阳极DSSC效率6.13％而言，TiO2/SiO21％时TiO2/SiO2光阳极的效率有了很大的提高，为9.98％。同时，采用TiO2/SiO2(ii)方法制得的增光光阳极的效率也有了很大的提高。 论文的第四章，我们研究了采用化学法，以盐酸、硫酸和磷酸掺杂导电聚苯胺(PANi)对电极的制备。分别用紫外-可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、XRD、SEM以及循环伏安曲线、阻抗图谱和Tafel曲线等方式对制得的导电PANi的性能进行表征。由SEM测试可知，制得的PANi对电极为纳米结构，且均匀分布于导电玻璃表层。由循环伏安曲线可知，采用化学法制得的PANi对电极，均有三对氧化还原峰，其中，硫酸掺杂的PANi对电极的氧化还原峰最强，其电化学催化性能最好。由阻抗图谱和Tafel曲线可知，采用化学法制得的PANi对电极，阻抗较小，电池性能较好。同时，由紫外-可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、XRD等辅助测试，都证明硫酸掺杂PANi对电极具有更加优越的性能。将PANi对电极与染料敏化TiO2光阳极组装成DSSC器件，测定电池的光伏特性。 经过短短二十几年时间，DSSC研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性等方面还有很大的发展空间。这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途:如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化;可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化;另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之DSSC有着十分广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，DSSC将会走进我们的生活。
染料敏化太阳电池;光阳极;材料制备;二氧化钛;二氧化硅
中国海洋大学
硕士
材料学
陈海燕
2015
中文
TM914.4;TM242:TM205.1
85
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）