论文部分内容阅读
环境污染和能源短缺已经成为影响人类可持续发展的两个重要挑战,因此作为最重要的环境友好型可再生能源,太阳能越来越受到人们的关注。合理有效地利用太阳能是解决上述问题的关键。太阳能电池是人们利用太阳能的重要技术之一,它能通过物理化学效应将太阳能直接转换成电能。半个多世纪以来,太阳能电池研究不断深化,已经发展了包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半导体、聚合物、染料敏化、量子点敏化和钙钛矿等类型的太阳能电池,其中染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其成本低、功耗小、制作工艺简单、理论效率高等特点逐渐成为新一代高效太阳能电池的有力竞争者。典型的DSSCs主要由光阳极（包括导电基底和光阳极薄膜）、染料敏化剂、电解质和对电极四个部分组成,其中光阳极薄膜起着吸附染料、吸收光子并产生光伏效应和传输载流子的作用,是决定DSSCs光电转换效率的关键要素。设计并制备高性能半导体光阳极薄膜,使其兼具吸附染料多、电子传输快、复合速率低和光利用率高等特点,是提高DSSCs光电转换效率的重要策略。本论文以设计高效光阳极薄膜材料为主线,以提高DSSCs的光电转换效率为目标,通过设计与制备具有分等级结构的TiO2材料及其复合材料,系统研究了新型结构的光阳极薄膜在DSSCs中的应用,其主要研究内容包括如下几个方面:（1）初步探究了具有双层薄膜结构的光阳极对DSSCs性能的影响。首先通过一步水热法在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃（FTO）上直接生长了一层厚度约为16μm的TiO2薄膜（TNRF）。该薄膜由竖直取向的一维TiO2纳米棒阵列和三维TiO2纳米棒花组成。因其具有高度结晶性和特殊的微观结构,显示出良好的电子传输特性。但是由于一维纳米结构的比表面积较小,因而其染料吸附能力有限,导致光的利用率低。我们进一步合成了具有大比表面积的TiO2中空球（THS）,其尺寸为400-600 nm,与可见光波段（400-800 nm）相匹配,因而THS薄膜具有很好的光散射能力,其电池的光电转换效率（PCE）达到5.48%。最后我们以THS为光散射层,TNRF为电子传输层构建了新型双层结构的TiO2光阳极薄膜,将DSSCs的PCE提升到7.50%。（2）调控TiO2纳米晶薄膜的分等级结构,显著提高了DSSCs的电子传输特性。以TNRF为结构基础,通过优化实验条件和改变前驱物钛酸四丁酯（TBT）的加入量合成了三种具有不同形貌的TNRF（TNRF-2,TNRF-3,TNRF-4）。其中TNRF-4的花冠层疏松多孔,表现出良好的染料吸附能力和光散射能力,因而提高了整个薄膜的光利用率,其PCE比TNRF提高了90%。再利用NaOH辅助水热法,制备了由TiO2纳米棒片花（TNRSF）结构,贯穿整个花冠层的纳米片是由纳米棒经NaOH腐蚀后再结晶生成的,因而与花冠和纳米棒阵列电气连接紧密,可为电子的快速传导提供有效的传输路径,起到了类似电子收集器的作用。增长的电子寿命（28.4ms）也证明TNRSF薄膜产生的光电子在传输过程中的复合速率下降,即有更多光电子被传输到外电路,这也是Jsc显著提高的直接原因。（3）基于SnO2/TiO2复合材料的光阳极的特性研究。以P25为钛源,利用一步水热法合成了多孔的SnO2/TiO2材料（PSTM）,并用于双层膜的致密底层。为了得到合适的散射层材料,利用Ti Cl4的水解反应在SnO2中空球（SHS）的表面上生长了一层TiO2,制备了SnO2@TiO2中空球（STHS）。这种具有双层膜结构的光阳极充分利用了SnO2与TiO2能带匹配的特点,使光生电子能够有效地从TiO2转移至SnO2,并且因SnO2具有更大的电子迁移率而能快速地传至导电基底,从而提高了DSSCs的光电性能。（4）碳纳米纤维（CNF）与TiO2复合材料（CNF-TNF）在DSSCs光阳极传输层中的应用。采用简单的水浴法在CNF表面生长了一层TiO2纳米片花簇（TNF）,这种由针状纳米片构成的多孔表面具有336.5 m2 g-1的超大比表面积,因而CNF-TNF表现出很好的染料吸附能力。同时得益于CNF良好的电子传导能力和光吸收特性,使得采用CNF-TNF单层薄膜的DSSCs的PCE提高到8.57%。我们进一步选择海胆状TiO2中空球（UTHS）作为光散射层材料,与CNF-TNF构成双层结构的光阳极,将电池效率提升至9.21%。（5）提出一种新的ZnO中空球（ZHS）的合成方法并应用于DSSCs的光阳极材料。单层的ZHS薄膜表现出了优秀的电子传输特性,其电子寿命（τe）长达94.7 ms。将ZHS与具有大比表面积的海胆状TiO2微球（UTS-x,光散射层）相结合,使得PCE达到8.67%,主要归因于ZHS和UTS-x功能复合。（6）设计并制备了Ag@C@SnO2@TiO2微球（ACSTS）并用作DSSCs光阳极材料。采用了逐层包裹的思路制备ACSTS,通过水浴法将不同材料依次沉积在Ag颗粒表面,最终形成ACSTS。基于ACSTS的DSSCs获得了高达18.68 m A cm-2的短路电流,因此PCE提高到了8.62%。可归因于该复合材料的独特结构,它既提供了充足的染料吸附和有效的光捕获,又能快速传送光生电子。另外我们利用P25和ACSTS制备的双层薄膜获得了更高的PCE（9.59%）,这表明ACSTS在DSSCs中具有很大的应用潜力。