染料/钙钛矿敏化多形貌纳米TiO_2太阳能电池的制备和性能研究

【摘要】：纳米TiO2因为具备许多独特的性质,例如光催化性、光电性、化学稳定性、低毒性等,而受到了广泛的研究。目前纳米TiO2的应用很多,其中最让人关注的一个应用就是制备敏化太阳能电池,因为这也许会成为解决能源危机的一个有效方法。纳米TiO2用作染料敏化太阳能电池(DSSC)的光阳极材料的研究始于1991年,在这二十年里,DSSC得到了飞速的发展。而纳米Ti02钙钛矿敏化太阳能电池作为一种新型太阳能电池,制造过程相对简单以及光电转化效率高是其具有的巨大优势,目前研究发现钙钛矿型太阳能电池的转换效率已经达到19%以上,因而对于钙钛矿敏化太阳能电池的研究也已经成为当前的前沿和热点课题之一,人们在研究中发现,TiO2的形貌和结构等,都对其作为光阳极的效果产生巨大影响。TiO2纳米棒阵列,由于具有一维结构,可以有效减少半导体中表面阱和晶界对光生电子的捕获,从而促进载流子更高效的传输,有利于电子的定向传输,受到了学术界的广泛关注。因此,本文主要是对染料／钙钛矿敏化多种特殊形貌纳米TiO2太阳能电池的制备和性能研究。主要工作包括：(1)在相对温和的低温条件下,使用硫酸氧钛(TiOSO4)作为前驱体,通过简单的水解-缩合反应制备出珊瑚结构TiO2纳米棒。珊瑚结构TiO2纳米棒作为染料敏化太阳能电池的光阳极,对其形貌结构进行表征,并讨论了不同的合成和煅烧条件对样品的形貌、结构和其组装成的染料敏化太阳能电池的光电性能的影响。观察可知在FTO基板生长的珊瑚结构TiO2纳米棒具有双层结构,底层为锐钛矿相的二氧化钛阵列薄膜,顶层为金红石相的纳米珊瑚线簇。以实验制备的珊瑚结构TiO2纳米棒作为光阳极组装成染料敏化太阳能电池,得到了极好的光电性能,并且随着样品煅烧温度的提升,太阳能电池的开路电压、短路电流和光电转化效率都越来越高,其中在600℃煅烧3小时的样品获得了最好的光电转化效率,达到0.9%。(2)首次提出了一种新的全固态型染料敏化太阳能电池,在我们的新型电池中采用了两种不同的钙钛矿材料,钛酸锶和CsSnI2.95F0.05作为电子和空穴传输的介质。通过两步水热法合成了异质结构TiO2-SrTiO3纳米棒复合材料作为电池的光阳极材料,并且采用N719染料作为全固态型染料敏化太阳能电池的光敏化剂。结果表明,N719/TiO2-SrTiO3/CsSnI2.95F0.05系统匹配良好的能带结构可以作为促进电荷分离的能量连接,从而提高太阳能电池的光电转换效率。更重要的是,在工业生产中,由于使用碱性水解方法制备TiO2具有相对高的生产率和较低的成本,因此目前来说二氧化钛的工业生产已经广泛采用钛盐在碱性条件下水解的方法进行制备。本实验之中我们讨论了碱性前体反应物浓度对TiO2-SrTiO3纳米棒薄膜的光电化学性能的影响,并证明了TiO2-SrTiO3纳米棒光阳极可以提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率(η)使其最高达到1.09%,是在碱性环境制备的纯TiO2纳米棒阵列的10倍以上(η～0.12%),因此本实验对工业二氧化钛太阳能电池的生产和发展具有重要意义。(3)采用简单的水热方法在FTO(掺杂氟的Sn02导电玻璃(SnO2:F))衬底上直接合成了一维取向的单晶金红石型二氧化钛薄膜,然后使用二氧化钛纳米棒作为模板和反应物,Sr(OH)2作为锶源,通过水热反应成功在Ti02纳米棒阵列的表面沉积了SrTiO3立方纳米颗粒。并采用TiO2-SrTiO3纳米棒复合材料作为电池的工作电极,钙钛矿型的CH3NH3PbI3和CsSnI2.95F0.05分别作为光敏剂和电解质组装钙钛矿敏化太阳能电池。同时我们讨论了煅烧温度和反应物浓度对电池性能的影响,通过调整煅烧温度和二次水热反应中Sr(0H)2溶液的浓度,钙钛矿敏化太阳能电池的光电转换性能得到了明显改善,最高效率达到0.34%,是未经SrTiO3修饰样品的2倍。

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