论文部分内容阅读
一维TiO2纳米管(TitaniaNanotube,TiO2NT)阵列因为其优异的电子传输性能、与光活性材料(如染料或有机无机杂化钙钛矿等)匹配的能带位置和带隙宽度、简单的制备工艺等优点成为了新型薄膜太阳能电池中最广泛采用的光阳极或电子传导材料之一。本文通过阳极氧化法制备了垂直于基底的高度有序一维TiO2NT纳米阵列并应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)上,在充分利用一维阵列具有的直接电子传输通道的基础上,对TiO2纳米阵列光阳极的表面引入颗粒和钝化层,构建芯壳结构纳米阵列光阳极,从增大电子注入和抑制载流子复合多方面提高了 DSSC的光电性能。具体研究内容如下:(1)针对TiO2纳米阵列比表面积较小,对染料的吸附量不足的问题,在TiO2纳米管中引入了 W掺杂的TiO2纳米颗粒,获得TiO2NT/W-TiO2NP芯壳纳米阵列光阳极。颗粒的引入实现了光阳极比表面积的增加,进而增大了对染料的吸附和光俘获;颗粒中掺入适量W既能引入电子陷阱,抑制载流子界面复合,又能对半导体能带起到一定调控作用,提高了电子的注入效率。详细研究了 TiO2纳米颗粒中W掺杂含量与不同溶胶处理时间对组装DSSC光电性能的影响,在0.8 wt%W掺杂溶胶处理45 min时获得的TiO2NT/W-TiO2NP芯壳结构纳米阵列光阳极组装的DSSC效率达到9.47%,相比未经颗粒引入的TiO2纳米阵列光阳极组装电池能量转换效率(4.61%)提高了 105%。(2)从抑制载流子复合角度考虑,通过溶胶浸泡并结合退火处理在TiO2纳米管表面引入了具有高介电常数、宽带隙的薄A12O3钝化层,构建了 TiO2NT/Al2O3NP芯壳纳米阵列光阳极并应用于DSSC。详细研究了不同溶胶浸泡时间和溶胶浓度对阵列光阳极微结构和组装器件光电性能的影响。发现在0.02 M的溶胶中浸泡处理15 min的氧化钦纳米阵列光阳极组装的电池具有最佳的能量转换效率(n =7.85%),与未经钝化层处理的器件相比电池效率(4.94%)提升了 59%。研究表明,纳米阵列光阳极中引入A12O3薄钝化层不仅能提高器件的开路电压,而且有效抑制了载流子与电解液中的13-离子和染料受主态的复合;适当厚度的A12O3钝化层能让光生载流子有效隧穿到TiO2纳米阵列光阳极,因而基于TiO2 NT/A12O3 NP芯壳纳米阵列光阳极的电池光电性能得到了显著提升。(3)结合前面的第(1)(2)点,从引入颗粒增加光阳极比表面积进而提高染料吸附量,纳米颗粒中引入适量的W掺杂增大染料中的光生电子向光阳极的电子注入效率,引入薄A1203钝化层包覆纳米阵列抑制界面处载流子复合三个方面综合考虑,在前面引入W掺杂TiO2纳米颗粒的基础上,对TiO2NT/W-TiO2NP芯壳结构纳米阵列进一步通过含A12O3的溶胶浸泡引入A12O3钝化层,构建了 TiO2NT/(W-TiO2/AI2O3)NP分级芯壳结构纳米阵列光阳极。通过进一步优化W掺杂含量、A12O3钝化层厚度、以及纳米颗粒和钝化层引入工艺,在0.8 wt%W掺杂溶胶处理45 min、0.02 M A12O3溶胶处理10 min时获得的TiO2NT/(W-TiO2/A12O3)NP分级芯壳结构纳米阵列光阳极组装的DSSC效率达到11.20%,相比TiO2NT/W-TiO2NP芯壳结构纳米阵列光阳极效率(9.23%)提升21%。这一研究对从电子传导材料的表面界面修饰与设计方面提高太阳能电池效率,探明器件的电荷输运机理,促进太阳能电池的产业化应用具有重要意义。